（环境工程专业论文）氟苯胺的好氧生物降解性能研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了邻氟苯胺、对氟苯胺和2 ，4 一二氟苯胺三种有机物在单基质条件下 好氧生物降解性能；对三种氟苯胺好氧生物降解性能进行了比较和评价：探讨 了影响氟苯胺好氧生物降解性能的外界环境因素；研究了共基质条件下氟苯胺 好氧生物降解性能；分析了氟苯胺好氧生物降解性能与结构的关系。上述研究 表明：( 1 ) 好氧生物降解性能对氟苯胺 邻氟苯胺 2 ，牟氟苯胺。( 2 ) 降解动力学 分析表明，除2 ，4 - 二氟苯胺在实验浓度8 5 6 m l 时为一级反应，其他为零级反 应。且它们的降解规律都符合m o n o d 方程。( 3 ) p h 为6 - 8 ，3 0 ，及振荡速率 为1 4 0 r m i n 为氟苯胺的最佳降解条件。( 4 ) 葡萄糖的引入使得三种氟苯胺降解 去除率都有不同程度的提高，其中2 ，4 一二氟苯胺最明显。( 5 ) 苯胺与邻氟苯胺、 对氟苯胺间竞争性抑制明显；但当添加苯胺浓度在3 0m g ，l 以下时，对2 ，4 二氟 苯胺降解有促进作用，并在2 0 m g ，l 时最为明显。( 6 ) 每种氟苯胺驯化污泥都可 降解其它氟苯胺；除了邻氟苯胺对2 ，4 二氟苯胺的降解有轻微的促进作用，氟苯 胺两两共存时，它们之间存在竞争性抑制；( 7 ) 选择1 2 种结构参数分别考查它 们与氟苯胺的最大比基质降解速率的相关性研究表明，电性参数与氟苯胺好氧 生物降解性能的相关性最好，化合物与酶的反应过程是氟苯胺好氧生物降解的 限速步骤。 关键词：氟苯胺，好氧生物降解性能，降解动力学，共基质，降解性能与化学结 构定量关系( q s b r ) a b s 打a c t a b s t r a c t t h e a e r o b i c b i o d e f a d a b i l i t ) r o f 2 一n u o r o a l l i l i n e ， 4 - n u o r o a i l i l i n e姐d 2 。4 d i f l u a r o a l l i l i n e 觞t h e s o l es u 曲s t r a t ew a ss t i l d i e di i lm i sp 印e r ，a i l d 廿i e i r b i o d e 鲫d b i h t y w a sc o m p a r e da n de v a l u a t e d t l l ce 珏酏to fe n 、，i r o 衄e n t a lf k t o r so n a e r o b i cb i o d e 掣a ( 龇i l i 哆 o fn u o r o a n i l i n e sw 弱s t i l d i e d c o m e t 曲0 1 i s mo f n u o r o 丑n i l i n e sa n di t c r a c t i o no ft h en u o r o a i l i l i n 鼯 w e r ea l s o i n v e s t i g a t e d q u a i l t i t a t i v es 协】c t i l r e a c t i v i t yr c i a t i o n s l l i pw a s 咖d i e d e x p e m e n t a lr e s u l t ss h o 、v e d t h a t ：( 1 ) t h ea e m b i cb i o d e 铲a d a b i l i t yo f4 一f l u o r o a 词m ei sm eb e s t ，a l l dl h 砒o f 2 ，4 f l u o r o a m l i n ei sw o r s t ( 2 ) r i kd y i l a l i c 姐a 1 埘ss h o w e dm a t ，t h eb i o d c g r a d a t i o n o f n u o r o a l l i l i n e sw a si na c c o r d a i l c ew i t l lz e r oo r d e r1 a we x c 印tt h e2 ，4 d i n u o r o a n i l i n e o n8 5 6 m g ，l ，a n dm e i rd e g r a d a t i o na 1 1 f i tm em o n o dm o d e l ( 3 ) 1 1 1 eo p t i m a l c o n m t i o nf o rd e 野a d a t i o nw 鹊p h = 6 8 ，3 0 ，1 4 0 r i i l i l l ( 4 ) t h eb i o d e 乎砌m t yo f f l u o r o a n j l i n e si si n c r e a s e dw h e nt l c9 1 u c o s ei sa d d e da sc o s u b s t a n c e ，a n d 1 e i n c r e a s eo f2 ，4 一d i f l u o r o a | l i l i n ew a st h em o s te v i d a l t ( 5 ) a sc o s d b s t a l l c e ，a n i l i n e s h a w e dac o n t m d i c t o r ye 恐c tm i x e dw i t h2 一f l u o r o a i l i l i n eo r4 一f l u o r o a n i l i n e ，w l l i l e s h o w e dac o o p e r a t i v ee 髓c tm i x e dw i t l l2 ，4 d i n u o m 嬲i l i l l e ，a l l d t h e 叩t 岫a 1 c o n c e n 订a t i o no f a d d e d a i l i l i n ci s2 0 m 班( 6 ) a c t i v a t e ds l u d g e c l h a t e db y 髓yo f t h e s em r e ek 砌so fn u o r o a i l i l i i l e sc 0 1 1 1 db i o d e 掣a ( 1 ea l lo f 血锄1 1 他r ei 8c 伽叩e d t i o n b e t w e e nt h en u o r o a i l i l i n e s ，e 】【c 印t 也a t2 一n u o r o a i l i i l ed i o w e dh g h t l yc o o p e 嘶v e e 任h to nm i x 吨谢也2 ，4 - d i n u o r o a l l i l i n e ( 7 ) t h cb i o d e 舯d a t i o nr a t eo f n u o r o a n i l i n 韶i sm a r k e d l yc o n l a t e dw i me l e c h d i l i cp 盯a m e t e r ，s ot h ea e r o b i c b i o d e g r a d a t i o no f n u o f o a n i l i n e si sh m i t i 甜b yt l i er e a c t i o no f o r g 越i c s 觚de l l z y m e k e yw o r d s ：a e r o b i cb i o d e 莎a d a t i o n ；b i o d e 舒a d a t i o nd y n 锄i c s ；c o - s u b s t a n c e ； f l u o r o a n i l 砒s ；q u 趾t i 雠i v es 扛u c t u r e a c t i v 时r c l a l i o n s 脚( q s b r ) ； l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：西转 沙多年月彤日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能研究概况 1 1 氟代有机物的特性及其应用 1 1 1 氟代有机物的来源 环境中氟代有机物的来源主要分为自然来源和人为来源。 1 1 1 1 自然来源 氟是地壳中含量最丰富的卤素，并在所有的元素中位列第1 3 【l 】。这也是天然 的有机氟化物产生和存在的原因。最知名的天然有机氟化物是单氟乙酸( m f a ) ， 它是由一些植物( d i c h a p e t a l 啪，p a l i c o l i r e am a r c 野桶i ，a c a c i ag c 0 f g i n 矗e ， g 船仃o l o b i 啪乒觚d i n o m m 和o x y l o b i 砌) 产生的。还有一些西非的植物也可以产 生氟代的有机酸类，另外某些菌类也产生了氟代有机物，包括含氟的抗生素和核 杀菌素，以及氟代有机酸类。而c f c 1 l ，c f c 一1 2 ，c f c 1 1 3 ，h c f c 一2 1 ，h c f c 一2 2 及氯氟乙烯等物质均有被报道在火山气体和钻井中被发现。值得注意的是，所有 这些已知的生物产生的氟代有机物的分子中都只含有一个氟原子。而相比之下， 人造的氟代有机物都含有多个氟取代基，甚至是全氟取代的【l 】。 1 1 1 2 人为来源 从人造氟代有机物进入环境的途径来看，可以分为三种：氟代有机物的生产、 合成过程的三废排放、氟代产品的再生产以及直接使用过程【2 】。 尽管使用微生物的途径制造新的氟化物也是可能的，氟产品的合成通常都是 采用化学或电化学工艺完成。有机氟化物的制备步骤多，往往需要消耗大量的原 料及辅助材料，生产过程中产生不少有毒有害的气体和液体。而且，相比自然生 成的氟代有机物来说，人为释放的氟代有机物则都是集中在人口密度较大的工业 区和城市区域，且排放的时间和空间都很集中，常常会对生态环境和人群健康产 生直接的影响。 氟代产品的再生产主要应用在工业、农业、医药、化工等方面，污染主要源 自将氟代有机物当作原料进行再生产时氟代有机物的散溢和释放【3 1 。 氟代产品的直接使用途径又可分为污染物的直接散溢和包装废弃物的弃置。 1 1 2 氟代有机物的特性及应用类型 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 有机氟化物分子有着独特的物理，化学和生物特性，而这些特性是和氟原子 的特性相关的。氟原子的范德华半径与其他卤族元素相比最为接近氢( 氟原子的 范德华半径为1 4 7 a ，氢的范德华半径为1 2a ，而氯为1 8 a ，溴为1 9 5 a ，碘 为2 1 5 a ) ，因而造成生物酶体系无法将氟化物和它们的母体区分而接受其进入 代谢反应【l 】a 事实上，许多氟代的农业化学品能够抑制酶活性的原因在于，它们 是具有极强稳定性的天然酶底物的类似物。 另外，氟原子具有极强的电负性( 氟的电负性为4 o ，而氯为3 0 ，溴为2 8 ) ， 因此使得碳氟键具有很强的极性和自然界最大的键能【l 】。而碳氟键的强度对氟化 物分子的稳定性贡献很大。同时，氟原子的引入可在整个分子外形成静电保护层， 排斥其他极性分子的接近。对于许多人造氟代有机物来说，如全氟代有机物，它 们的稳定性也取决于其分子结构特征。 因氟代有机物的众多特性，人造氟代有机物的种类近年来飞速增长。其应用 从国防推广到民用，深入国民经济的各个部门，按应用范围可分为：氟农药、氟 医药、氟表面活性剂、含氟材料、氟惰性液体、氟染料、含氟中间体等【4 。”，详 见表1 1 。 表1 1 氟代有机物的应用类别及特点 其中，常见的脂肪族的氟代有机物主要应用于制冷剂、麻醉剂、杀虫剂、表 面活性剂、发泡剂、催化剂、润滑剂等，而芳香族的氟代有机物主要用于除草剂、 杀虫剂、药物、各类中间体等”。 1 1 3 有机氟工业发展现状 1 1 3 1 国外概况 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 含氟聚合物主要应用在化学工业、机械工业和电子工业，另外在军事、日常 生活等方面也有广泛的应用。2 0 0 0 年，全世界含氟聚合物的产量约为1 2 2 万吨， 其中氟塑料产量约1 0 9 万吨，氟橡胶产量约为1 3 万吨。在氟塑料中，聚四氟乙 烯( p t f e ) 占约5 0 。世界含氟聚合物的生产和消费主要集中在发达国家，2 0 0 0 年美国、西欧和日本的氟塑料产量占全世界的8 7 ，消费量占全世界的7 8 。 预计，2 0 0 0 2 0 0 6 年世界含氟聚合物需求量年均增长4 5 ，其中美国和西欧的需 求增长较快，而日本的需求增长较慢。预计2 0 0 6 年全世界需氟塑料1 5 5 万吨， 氟橡胶1 8 5 万吨“。 在氟化烷烃方面，根据蒙特利尔议定书及有关会议关于削减消耗臭氧层气体 用量的协定，发达国家目前已经停止生产氟氯烃r c f c ) ，而主要生产氢氟氯烃 口c f c ) 和氢氟烃饵f c ) ，并在2 0 1 0 年前停止使用c f c ，发展中国家目前主要生 产c f c ，但将在2 0 1 0 年前逐步停止生产和使用，所以正在积极发展c f c 代用品 h c f c 和h f c 。但由于h c f c 对臭氧层有轻微破坏作用，h f c 是温室气体，其 发展前景都有限 1 ”。所以，氟化烷烃的消费量总体将下降，下降的速度则取决于 无氟制冷剂的开发速度。如果在这方面的技术没有重大突破，今后几年内氟化烷 烃的需求量虽将缓慢下降，但预计2 0 0 5 年世界氟化烷烃的需求量仍将达到约6 0 万吨，其中c f c 需求量为5 万吨。 由于含氟医药和农药的快速增长，预计全世界含氟芳香族化合物的需求将快 速增长。 1 1 - 3 2 国内概况 我国是世界上萤石储量大国，探明储量占世界总储量的1 ，3 ，为我国发展有 机氟工业提供了非常有利的原料优势。我国氟化学的研究工作始于5 0 年代后期， 主要为满足国防需要；7 0 年代后期起开始较全面的研究并逐步产业化，有机氟 化学品主要包括基本氟碳化合物、氟聚合物和有机氟精细化学品，以及重要生产 原料氢氟酸 1 3 】。 ( 1 ) 基本氟碳化合物包括氯氟烃( c f c ) 、含氢氯氟烃( h c f c ) 和氢氟烃( h f c ) 等含氟烷烃，主要用作冰箱和空调的致冷剂、塑料发泡剂、电子清洗剂、气雾剂 以及哈隆( h a i o n ) 灭火剂等。1 9 9 5 年我国基本氟碳化合物生产能力为1 2 万吨， 实际产量6 万吨，其中氯氟烃致冷剂约5 万吨。2 0 0 2 年，氟化烷烃产量约1 6 6 万吨，表观消费量为1 0 9 万吨【 】。 ( 2 ) 氟聚合物主要包括氟树脂和氟橡胶。1 9 9 5 年我国氟聚合物生产能力为 0 6 l 万吨，产量约o 4 0 万吨，主要产品是p t f e ，约占8 0 ，以中低档的中粒度 悬浮液为主；氟橡胶占3 。2 0 0 2 年，我国含氟聚合物产量约1 5 万吨，表观消 费量为1 8 8 1 9 吨，其中，约9 0 是p t f b 。目前，氟聚合物无论是品种或是数量 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 都不能满足国内需求，潜在市场十分巨大。 ( 3 ) 有机氟精细化学品包括氟农药、氟医药、氟染料、含氟芳香族中间体等。 a 氟医药由于含氟有机化合物具有特异的生物活性和生物体适应性，含氟 药物的疗效比一般药物均强好几倍，其开发最为活跃。国内目前研制及生产的含 氟医药已有3 0 余种。 b 氟农药7 0 年代以来我国开始了含氟农药的研究，先后开发了伏草隆、氟 乐灵、乙氧氟草醚等除草剂和氟蚜蝗、除虫脲、含氟拟除虫菊酯等杀虫剂，目前 国内含氟农药的品种、数量都满足不了市场需求。大量依赖进口。 c 氟染料氟元素的引入能增强染料的光泽和艳度，提高其耐晒、耐水、耐 有机溶剂的性能。国内先后合成出了大红色基v d 、桔橙色基r d 、含氟色淀澄、 三聚氟氰、热敏染料、f t 2 等品种。 d 含氟中间体有机氟中间体主要包括芳香族氟化物和脂肪族氟化物，其中 又以芳香族氟化物为主。芳香族氟化物是合成医药、农药和染料的重要中间体。 2 0 0 2 年，我国含氟芳香族化合物的产量约为1 4 万吨，表观消费量为0 4 万吨。 芳香族氟化物有：多氟苯类、氯、溴、碘氟苯类、氟硝基苯类、氟苯胺类、氟苯 酚类、氟苯甲醛类、氟苯丙酮类、氟苯甲酸类、苯甲酚氯类、氟甲苯类和其它氟 苯类、以及单三氟甲苯类、双三氟甲苯类、氟吡啶类、三氟甲基吡啶类等。 1 1 3 3 含氟中间体的发展 含氟中间体主要用于合成农药、医药和染料等方面，市场需求加快了中间体 的发展，从而促进了下游含氟精细化学品的开发。含氟中间体在新医药、农药、 染料品种中所占比例越来越高。氟将会在开发新的对环境无害的产品中起主要作 用。2 0 0 t 年我国含氟中间体生产能力约为6 7 万吨，产品有一半以上出口国际市 场【1 4 】。我国目前开发的含氟有机中间体根据起始原料或化学结构大致分为四大系 列，即苯系列化合物、甲苯系列化合物、脂肪族氟化物、杂环化合物。 邻氟苯胺，对氟苯胺和2 ，4 二氟苯胺都是重要的应用于医药、农药和染料等 行业的重要中间体。邻氟苯胺用于合成热敏染料f h 1 0 2 ，这是一种应用较广，性 能优良的显黑色的热敏染料【1 5 】；2 ，4 一二氟苯胺是合成氟苯水杨酸( 又称二氟尼柳) 的关键中间体，它是一种疗效显著的消炎镇痛药抗炎活性是阿斯匹林的4 倍。且 药效长、毒性低，已在7 0 多个国家上市。此外2 ，年二氟苯胺还可用来制备氟喹 诺酮类抗菌药多氟啶酸等【i ”。 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 1 2 氟代有机物的在环境中的迁移转化及其环境毒性 1 2 1 氟代有机物在环境中的迁移转化 卤代有机物中对于环境转化方面的研究主要集中在溴代物和氯代物上，氟代 有机物受到较少的关注在于一些非挥发性全氟代有机物的检测比较困难，还有就 是它们都被认为是生物惰性的，从而影响环境和人类健康的可能性较小。然而， 惰性分子更具持久性和更易累积，被它们污染的环境更不易修复。其实，一些氟 代有机物能够在适合的环境条件下进行有限的生物转化，而且，有机氟化物确实 表现出某些显著的生物效果，如抑制酶活性、阻碍细胞间传递、膜运输以及产能 过程等【。 图1 i 口】给出了影响氟代有机物在生物圈中的分布和循环的各个过程。由图 1 1 可见，挥发性有机物( 包括氟氯烃c f c ，氢氟氯烃h c f c 。氢氟烃h f c ，和 氟代烷：弪等) ，主要来自于制冷剂，杀虫剂等工业生产过程，氟工业产品的使用 过程和废弃物处理过程中的散溢，还包括一些含氟有机物在土壤和水体环境中经 生物降解后的挥发性产物。这些挥发性的氟化物在对流层中被羟基氧化，生成非 挥发性物质，像三氟乙酸等。通过降雨等过程，这些非挥发性产物又回到水体和 土壤环境中。其中有一少部分挥发性氟代有机物也可以通过水体中的生物氧化或 还原作用降解：。非挥发性的有机物部分可被生物降解，不能被生物降解的物质和 生物降解产生的非挥发性产物就残留在环境中，甚至通过生物积累进入鱼类等生 物体内。而类似全氟代有机物将会在平流层中被光降解。 图1 1 生物圈中氟代有机物的循环 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 1 2 2 氟代有机物的毒性 随着氟化物的广泛应用和氟工业的发展，氟代有机物进入环境中的机会越来 越大，途径也越来越多。因此有理由认为它也将广泛的分布在我们的生物圈中， 人类暴露于含氟环境中的机会也越来越大了。 氟代有机物污染面广，毒性大，难降解的特性使得有关氟的问题引起人们的 关注，尤其是潜在的细胞毒性和遗传毒性1 1 7 】。最近研究表明，许多氟代有机物对 人体健康极为有害，主要表现为抑制酶活性、影响能量传递、破坏细胞膜等而诱 发癌症，肝肿大等疾病。而遗传毒性研究结果不一致，但大多数研究者认为其有 诱变性1 引。 氟代有机物的毒性研究是随着产品的开发同步进行的。若将氟代有机物划分 为氟烷烃，氟烯烃，含氟高分子和氟代芳香族化合物四类，其毒性特征分别为【1 9 】： ( 1 ) 氟烷烃( 主要应用于致冷剂、喷雾剂、灭火剂等) 的毒性较低，一般认 为它们因有c _ f 键而具有高的化学稳定性，但如吸入过高浓度仍可能是致命的， 当吸入过高浓度时还伴随着缺氧因素，可造成更严重的后果。并且氟烷烃的毒性 与化学结构的一般规律显著，即随着分子中取代氟原子数的增加而毒性降低；另 外，一些氟烷烃均可作用于心血管系统，导致心率不齐等心脏病变。 ( 2 ) 氟烯烃分子结构中双键的引入使得它的化学活性较同类烷烃为大，其毒 性也较相应的烷烃为大。其结构与毒性规律，不如烷烃表现得明显，氟代程度与 毒性并不成反比关系。在常用单体中，以氟乙烯毒性最低，而以全氟异丁烯( p f m ) 毒性最巨。p f m 毒性作用带窄，且有潜伏期，易被疏忽。 ( 3 ) 含氟高分子本身的化学性质是惰性的，生物活性也很低，但当使用和加 工温度超过一定限度时，随着聚合物的热裂解，可产生对人体有毒的气态产物和 颗粒物。其中，颗粒物表面有可能吸附有毒的分解产物，而成为更重要的致毒因 素。 ( 4 ) 含氟芳香族化合物不仅具有低的化学毒性，还有高的生理活性。对其毒 性的研究，起步较晚。一般认为其毒性与其非氟化的母体的化合物结构有关。 1 2 3 目前对氟代有机物的控制和排放标准 氟代有机物被越来越多的应用于商业和生活产品中，氟代有机物的稳定特性 是它备受商业生产青睐的原因，但这种稳定性同时也使它们成为了潜在的重要环 境污染物。已经有多项报道证实，生物体内和人体血液中检测到含氟有机物的存 在。在尼亚加拉河和安达略湖内的鱼类体内有检测到几种三氟甲基取代的芳香族 化合物1 】；有机氟工业工人的血清中有机氟含量达到1 o 7 1 p p m ，非氟化工工业人 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 群为o o o 1 3 p p m ，另一项研究中，1 0 6 人的血清中平均有机氟浓度达到了 2 5 7 士1 6 2 p p m f lj 。可以看出，有机氟化物已经成为一种广泛的污染物质进入了生 物体和人体组织。 美国环保局提出的1 2 9 种优先污染物中，卤代有机物约占6 0 ，其中包括 有氟代脂肪烃类物质。 从国内情况来看，为控制随意排放，国家已制订了相关的政策和排放标准， 如废气排放标准，废水排放标准等。在中华人民共和国国家标准污水综合排放标 准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中的第二类污染物最高允许排放浓度相关规定中对可吸附有 机卤化物( a o x ) 浓度做了明确的规定。 但是，氟工业的三废处理却并没有受到足够的重视。虽然氟工业及其生产技 术迅速发展起来，对生产过程中产生的三废处理及综合利用的研究仍然缺乏，使 三废处理技术总是滞后于生产技术【2 】o 1 3 氟代有机物的生物降解性能 氟代有机物在环境中都非常稳定，表现出难降解特性。但是，在微生物的作 用下，许多氟代有机物能在不同程度上被降解口0 1 。氟代有机物的生物降解是一个 复杂过程，影响因素众多，包括其本身分子结构特征，降解菌的类型，以及外部 环境因素等。 1 3 1 氟代有机物的分子结构特征 氟代有机物在环境中都非常稳定，表现出较难降解的特性。但是，在微生物 的作用下，许多氟代有机物都能在不同程度上被降解。然而，不同物质的生物降 解性能不相同，氟代有机物的降解特性主要取决于它们的分子结构。一般的，氟 取代基越多的化合物越难以降解，降解速率越慢。氟取代数目在2 以上的氟代有 机物很难通过水解脱氟，通常多氟有机物要有氧化剂、还原荆或亲核试剂来攻击 某些官能团或碳氟键才能降解【2 。以氟代芳香化合物而言，与一般的芳香化合物 相比，其可降解性大大降低。因为氟原子的引入使分子特性发生了改变。而氟代 基所在位置以及氟代基的数量都会使氟代有机物表现出明显的生物降解性差异。 虽然脂肪族中的碳氟键能较芳香族中的小，但是芳香族氟代有机物的碳氟键较易 断裂，且随着取代氟的增多，芳香族中的碳氟键越易受到亲核试剂的攻击【2 2 】。 氟代有机物的分子结构特征也直接关系到它的降解方式。通过直接攻击使碳 氟键断裂的例子仅限于三氟，二氟，或单氟乙酸的还原脱氟，及单氟有机物的水 解脱氟等过程【l 】。然而还原脱氟需要非常严格的还原条件，目前为止只在产甲烷 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 条件下被观察到过。通常，高氟取代有机物的转化需要攻击与氟取代基相连的键 或官能团。对邻近官能团的攻击包括亲核攻击、氧化反应、还原反应，能够导致 脱羧、脱磺酸基、脱氨基及脱氟2 3 1 。而像含一个或更多氢原子的挥发性氟代有机 物，可由羟基自由基的氧化作用分解，全氟代的有机物在大气层中有着非常长的 生命周期，只能通过光分解等方式才能分解。 1 3 2 氟代有机物的降解菌类型 虽然含氟有机物表现出难降解的特性。但是微生物能够通过自身进化产生脱 卤酶，具备了降解卤代脂肪族和卤代芳香族化合物的能力。能否选取和分离高效 菌种对于含氟有机废物的处理起到关键作用。迄今为止，研究者已获得了众多可 以降解含氟有机物的微生物0 5 1 ，详见表1 2 。 表1 2 可降解含氟有机物的微生物 值得一提的是，利用单一菌种对含氟有机物进行生物降解，往往会产生有毒 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 中间产物，会抑制微生物生长和酶的活性，从而使微生物降解作用受到限制，因 而选择混合菌培养降解更有实践价值【2 6 1 。 1 3 3 生物脱卤中的外部影响因素 影响有机氟化物的生物降解的外部因素众多，除了温度、p h 值、d o 等常 见的影响生物反应的因素外，还有一些特殊的影响因素。 1 3 3 1 金属离子的影响 游离钴和二价铁离子被证明能够促进卤代芳基化合物以及卤代烷烃、烯烃的 还原脱卤反应【2 刀。卤代有机物可能敏感的其他金属离子为： c d “，c 矿，c u 2 + ，h 9 2 + ，c a 2 + 等吲。 1 3 _ 3 2 非金属离子的影响 gt o d dt o w n s e n d 通过有硫环境中的微生物厌氧生物降解的研究发现，使用 来自被认为难以降解的卤代芳香族化合物的土壤中的微生物，在一个漫长的时期 后，能够在硫酸盐还原的同时被降解2 9 1 。而硝酸盐、亚硫酸盐被证明对还原脱卤 有抑制作用【3 0 l 。 1 3 3 3 共基质条件 共基质条件下，各基质之间可能发生竞争作用、抑制作用、诱导作用、共代 谢作用，可能是其中的一种，也可能是几种同时存在【3 。针对工业废水而言，微 生物面临众多的有机物，包括易被降解的有机物和不易被利用的难降解有机物同 时存在，多种同系有机物同时存在等情况。 易降解物质通过诱导作用，使微生物的活性增芎虽【3 2 1 。当仅有难降解化合物存 在时，微生物虽然能降解一定量的该类化合物，但整体活性受到抑制。而易降解 化合物则使微生物的活性得以发挥，在其生物降解活性充分表现的时候，降解难 降解化合物的能力也相应增加【3 3 1 。易降解有机物为微生物的生长繁殖提供了碳源 和能源，也为水中难降解有机物的降解创造了条件。因此，在有机物的生物处理 研究中，往往采用向废水中添加易降解的外加碳源，以提高处理效率。 同系有机物的降解过程中可能发生共代谢反应，而共代谢反应的发生涉及到 在共基质底物上优先生成的酶3 4 1 。 1 4 氟代有机物的生物处理和生态修复 氟代有机物可以通过物理或化学的方法处理，例如：焚烧、高级氧化等方法， 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 但是生物处理方法与物理化学方法相比，具有节省能源，方便易行，处理彻底等 优点，是近年来研究的热点。 1 4 1 氟代有机物的生物处理 目前使用的物理和化学方法主要是用于去除废水中的氟离子，但是有机氟对 环境造成的污染，尤其是对水资源的影响很大。由于氟代有机物的分子结构特征， 废水中的有机氟不易被生物降解。近年来，随着生物技术在科技领域中日益成熟， 生物法处理含氟废水在各方法中将逐渐占据主导地位。生物法利用微生物作用降 解氟化物，具有成本低，处理彻底的特点，现有生物法主要有好氧生物处理，厌 氧生物处理、厌氧好氧处理、及培育高效菌种等。 1 4 1 1 好氧处理与厌氧处理 厌氧生物处理方法能够使较难降解的多卤代物质发生还原反应，转化为较易 降解的物质，而好氧生物处理方法则能够矿化单卤代的或少部分的二卤代的化合 物。但是好氧处理对于高卤代化合物的降解效果甚微【3 5 1 。因此一般针对日标污染 物的卤化程度来选择厌氧或好氧的处理方法。一般不会选择厌氧方法来处理单卤 代化合物，虽然单取代基的芳香族化合物和更多取代基的芳香族化合物都能够被 厌氧降解，但是能够降解多取代基的芳香族化合物的厌氧污泥降解单取代基的化 合物的能力却是有限的口。 氟代有机物具有较强的毒性和抗降解能力。厌氧生物处理可以有效的降低其 对微生物的毒性，提高可生化性。对于许多难降解的多卤代有机物，在使用好氧 生物降解，共代谢反应，产甲烷反应，铁还原反应均没有明显效果的情况下，还 原脱卤可以取得较好的去除率i ”】。但是，厌氧生物反应启动后有较长的一段时间 为停滞期，降解效果出现一般在1 0 3 0 天之后【3 9 j 。 目前多采用的还有厌氧与好氧相结合的一种两级生物处理工艺，第一步在厌 氧条件下发生还原脱卤反应，使目标污染物被降解为一些卤代基逐渐减少的中间 产物，这些中间产物在后续的好氧条件下被完全降解【3 9 1 。两级反应的参数各不相 同，温度，p h 等都分别设定。关键在于如何控制厌氧还原脱卤的程度使其产物 能在后续的反应中被有效的好氧矿化。 1 4 1 2 菌种的选取 氟代有机物的微生物降解可以通过不同的途径，一是直接利用环境中的微生 物对污染环境进行修复，这时需要采取一些诱导措施，使环境中的某些对该污染 物有一定适应性的微生物活跃起来，并使环境趋向更有利于降解的方向变化。另 一途径是从环境中分离获得相关的微生物菌株，然后对所获得的菌株进行驯化培 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 养，研究该微生物对某种污染物质的降解机理，这些分离的微生物也可以通过扩 大培养释放而进行环境修复研究。 这两种不同的途径也决定了菌种的来源主要有两个方向。一是利用污水处理 系统中的活性污泥，通过人为的添加目标污染物使本来并不具备降解酶的微生物 在驯化改良的过程中逐渐合成能够分解代谢的酶。通常需要2 3 个月的培养过程 才能使污泥产生一定的降解能力【帅】。有研究者使用已经驯化成功的具有某种污染 物降解能力的污泥作为接种体来驯化其对另一种相近或类似的结构的有机物的 降解能力。并且获得了较好的效果，例如万登榜用能够降解苯胺类物质的污泥进 行对氯苯胺的降解能力驯化获得成功【4 ”。另一种是直接来自受污染地区的土壤或 水体中，这种介质中的菌种一直存在于被污染环境中，被认为是经过了长时间的 天然驯化和选择的，已经具备了一定的适应能力。只需稍加分离就可得到一些具 有降解能力的特异性菌株，若加以培养更可提高其降解效果。 利用单一菌种对含氟有机物进行生物降解，往往会产生有毒中间产物，会抑 制微生物生长和酶的活性，从而使微生物降解作用受到限制，因而选择混合菌培 养降解更有实践价值。 1 4 1 3 污泥的驯化 对于难降解有毒有机工业废水，微生物的培养与驯化是非常关键的一步，微 生物的组成和种群与废水的性质、培养环境密切相关。使用何种方法接种污泥， 加入单一碳源还是混合碳源，使用何种能源，营养源等都是直接影响降解的关键。 有选择以受污染地带的长期适应性微生物接种，也有选择一般污水处理中污泥进 行培养的，一般认为适应地带的微生物已经经过天然驯化，比一般微生物性能优 越，但也有研究认为适应性地带微生物种类有限，在短期培养中占优势，但是若 比较长期培养结果，还是一般污泥较好【捌，可能因为种类丰富，潜力较大。碳源、 能源及营养源的使用也很多样，有以生活污水污泥，工业废水，配水等为碳源， 以卫生填埋渗滤液作为碳源，营养源及微生物源。 1 4 2 氟代有机物的生态修复 生物法按照实施方法和范围分，还可分为生物修复和生物处理。除了上述的 处理方法外，生物修复也是一种改良受污染土壤，沉积物的方法。与处理相似的 是，也采用缺氧和厌氧方法通过还原脱卤来处理高卤代有机物，而用好氧方法处 理少卤代有机物。好氧方法可先向土壤中注入含甲烷，氧气的地下水，然后注入 一定浓度的污染物。生物修复的效果会受到很多因素的影响，如：污染物浓度， 土壤类型，接种密度，供氧能力，p h ，温度，其他可供碳源，其他污染物的影 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 晌，土壤含水量，以及接种体与土壤中本身微生物的竞争能力。 最常用的生物修复方法是固态( 土地填埋) 和泥态( 生物反应器) 方法。总 的来说，生物修复的速率和强度在生物反应器中较固态的形式容易掌握。为评价 一种生物修复策略在某地是否有效，必须对当地情况做详细的描述，提供污染物 的物理化学特征信息，水文地质特性，微生物特征等。可能影响生物修复的因素 有：本土可进行生物降解微生物的活性，引入微生物的活性和竞争机制，污染物 的浓度和毒性，转化过程的中间产物或副产物，抑制剂，营养物质，电子受体， 电子供体，反应中化学定量关系，水的活性，p h 值和盐度，污染物和土壤或含 水层的化学反应，土壤和沉积物对其吸附，生物膜的形成，产生大量生物体而导 致的堵塞等。卤代有机污染物的降解方法是对当地地表水或土壤化学状况，本土 微生物，以及污染物对于还原，氧化，取代和消除反应的敏感程度的综合考虑的 结果【4 3 1 。 1 4 3 处理工艺的发展趋势 最近许多研究者将多种物理法、化学法与生物法联用，发挥其各自优势，从 而拓展了该技术的应用领域，产生了许多处理含氟有机废水的新方法： ( 1 ) 采用预处理一水解酸化一生物接触氧化相结合的处理工艺处理含氟代有 机化合物废水。研究结果表明，水解酸化可将合氟废水的b c 比由0 2 5 8 提高到 o 3 9 6 ；在一定浓度范围内通过物化预处理及生化处理可以脱除氟代有机化合物 中的氟原子，使该有机物成为可供微生物利用的基质。 ( 2 ) 用碱式氯化铝絮凝法或活性碳以及活性污泥吸附法处理含氟表面活性 剂。活性炭生物法是将活性炭的吸附作用和生化作用相结合，既有活性炭吸附 和生物法的优点，又发挥了二者结合的长处。对阴离子氟表面活性剂用活性炭吸 附及用高分子树脂吸附都有效，将微生物细胞与吸附剂联合包埋固定在水凝胶基 质中，用于处理有机氟污染物。其中，吸附剂主要用于富集有毒污染物，提供给 微生物进一步生物降解，并能减轻其对生物催化剂的抑制作用，固态底物用于生 物降解并减少其他微生物的干扰f 4 ”。 ( 3 ) 基因工程。在生物修复技术的发展过程中，一种新兴的技术即微生物菌 株基因工程因其高效率性日益受到人们的重视。通过适当的调节基因表达式及构 造基因的致变作用来提高代谢酶的相关活性，如：稳定性，催化活性，底物亲和 力，底物特异性等。通过基因组合“路径模块”将降解路径加以组合，以创造出新 的生物降解途径【4 ”。 生物技术可以充分发挥高效生物菌种或遗传工程菌种在含氟有机物中的降 解潜力，为防止其污染而引起生态问题提供了一个十分重要的手段。可以预见， 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 随着生物技术的不断发展，工程技术的进步，新的和改良的生物处理工艺不断涌 现，该技术在处理含氟有机废水方面必将迈向实用化。 总结下来，发展趋势有三个方向： 一是多种工艺的结合，包括各种物理化学方法和生物方法的结合，不同物理 化学方法的结合，以及不同生物方法的结合。对应污染物降解的途径，选择适合 的处理方法将其联合。考虑在各个阶段中通过控制适合的条件达到最佳处理效 果，以期整体效应。 二是固定化生物反应器的应用。它的优点包括高的生物量浓度，污染物的高 去除率和对抑制性化合物的高冲击负荷的耐受性。这是悬浮细菌细胞所不可比拟 的。 三是随着分子生物学的发展，基因工程是一个方向。 1 5 生物脱卤的主要途径 1 5 1 生物脱卤的主要方式 向环境中引入一种新结构的化合物，也就是给微生物提供一种新的选择压 力，微生物必须形成一种新的酶来转化这一新结构的化合物。尽管环境中自然存 在含氟元素的化合物，但是许多新的多氟化学品对于环境中的微生物而言，仍然 是新的引进物。要形成一个新的分解代谢途径，需要一定的时间，这就是为什么 一些氟代物在环境中能维持几年甚至几十年。事实证明，微生物已经通过自身进 化产生了几种酶催化的脱卤机制以降解卤代脂肪族和卤代芳香族化合物。 要能转化氟代有机化合物，必须有一种能分解代谢碳氟键的酶。酶作用于 碳氟键并使其断裂有4 种情况：氧化脱卤作用、还原脱卤作用、消除脱卤作用 和取代脱卤作用( 见表1 - 3 ) 。氧化脱卤：依靠单、双加氧酶作用于卤代有机底物 上产生卤化氢，卤离子会自发的从不稳定的卤化氢中释放出来。还原脱卤：从一 个分子上去除卤代原子的同时添加一个电子到这个分子上。还原脱卤是处理多卤 代有机物的关键步骤，其关键是添加适合的电子供体。消除脱卤：由脱氢脱卤酶 催化的脱卤反应中，脱卤导致形成双键。取代脱卤：在多数情况下是水解反应， 由卤代水解酶催化。通过氢卤裂解酶脱卤是分子内部的取代反应的结果。另外， 某些厌氧细菌，可以利用特殊的卤代有机物作为呼吸过程的电子受体【“。 表1 3 含氟有机物生物转变可能的降解机理 类型 例子降解条件 还原脱卤c f 3 c 0 2 h + 2 e + h + c h f 2 c 0 2 h 十f _ 厌氧底泥 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 1 5 2 卤代芳香族化台物的脱卤 1 5 2 l 概述 含氟芳香族化合物对生物降解有强烈的抑制作用，它降解的关键是脱氟。 氧作为最终电子受体，一方面可以接受被氧化的底物在氧化过程中所释放的 电子，另一方面可以像被氧化的底物一样参与生物化学反应，最终被化合到反应 生成物中，但只有激活态的氧才能参与反应，因此，氧需要在加氧酶的激活下， 成为激活态氧。在好氧条件下进行水解或氧化分解是脱氟的途径之一，开环以后 所形成的非芳香族化合物的氟主要是通过水解的途径脱氟。含氟芳香族化合物的 c f 键非常稳定，很难发生亲核取代，因此，c f 键的激活需要很高的活化能以 及很强的亲核催化剂，一般微生物很难直接破坏c - f 键。氧、p h 值、水和一些 微生物的体外酶的协同作用可以使特定条件下的c f 键变得不稳定或者出现断 键。 第一章氟代有机物的环境影响及其降解性能的研究概况 目前，卤素化合物的厌氧脱卤研究主要集中在含氯芳香族化合物，这些化合 物能在不同还原条件下被降解，在脱硝条件下，3 氯苯甲酸和4 氯苯甲酸能被降 解，然而3 氯苯甲酸在铁还原和产甲烷条件下也能被降解。在厌氧环境下，2 氟苯甲酸和4 氟苯甲酸在脱硝条件下能被降解，但在硫还原，铁还原，产甲烷条 件下不能被降解。 1 5 2 2 氯代芳香族化合物的脱氯机制 如上所述，有关氟代芳香族化合物生物降解机理的国内外文献相对较少，在 氟苯胺的好氧生物降解研究工作中有很多可以借鉴氯代芳香族化合物的生物降 解研究的经验和成果。氯代芳香族化合物在好氧和厌氧环境中的生物降解研究表 明，其生物降解过程中最重要的限速步骤是将苯环上的氯取代基去除。脱氯主要 分为氧化脱氯和还原脱氯。 ( 1 ) 氧化脱氯机制 在好氧条件下，氯代芳香化合物的开环裂解需要通过氧从苯环分子中获得电 子来完成。由于氯原子对苯环上的电子产生强烈吸引，使苯环上的电子云密度大 大降低而成为一个疏电子环，氯原子越多，环上的电子云密度就越低，越难以被 氧化降解。 迄今为止，人们已经对氯代芳香族化合物的好氧生物降解做了较深入的研 究。大量的研究表明，在好氧条件下一些氯代程度低的芳香化合物较易生物降解， 降解速率也较快，而一些多氯代芳香化合物就往往难以生物降解。只有当苯环断 裂成代谢中间产物，有机氯矿化为无机氯离子时，氯代芳香化合物的生物降解才 被认为是完全的。一般认为分子内相邻的两个碳原子间直接脱h c l 或c 1 2 而形成 双键的反应只能发生在链烃类化合物而不可能发生在芳环上，因为芳环上的c c l 键是化学惰性的，对亲核取代反应具有极强抗性。其脱氯作用通常只有在陪伴其 他一系列反应、削弱c c l 键以后才可以进行。氯代芳香类化合物好氧生物降解 过程中的脱氯作用分为芳香环断裂前脱氯和芳香环断裂后脱氯两种情况。 芳香环断裂前脱氯有羟基取代氯和c c l 键氧化断裂两种方式。j o h n s t o n ，通 过对氯苯甲酸的降解研究发现了羟基化取代氯1 4 s n - c j c n 和a p 面a l a l l t i 等分别观 察到黄杆菌和氯酚红球菌对p c p 的羟基取代脱氯过程【4 8 4 9 1 。c c l 键氧化断裂由 双加氧酶催化完成，它是氯代芳香化合物去除氯取代