固定化菌群降解海洋溢油的性能调控及动力学研究

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随着国际航运业的快速发展,全球航运日益频繁,海洋溢油给海洋生态造成严重影响。在当前治理溢油污染的众多方法中,生物法凭借其安全环保,修复彻底等优点成为最具潜力的溢油处理方法。但是采用生物法处理溢油存在几个关键问题:首先,石油成分复杂,单一降解菌对其降解效果差、降解速度慢;其次,自然界中的微生物处于游离态,降解速度慢、易流失、生存能力差,造成降解菌的大量损失;再者,微生物降解溢油是一个复杂的过程,应用动力学模型处理溢油的可行性尚缺乏大量实验数据支撑。针对上述的问题,本文主要从菌群构建、载体制备和原油降解性能的影响展开研究,主要研究内容如下:(1)构建复配菌群,解决溢油降解效果差的问题。通过对课题组之前从油污舱底水和含油土壤中分离得到的降解菌进行筛选复配,得到一组降解性能最优的菌群K2,并构建其生长动力学模型。测定得到菌群K2对原油的7 d降解率为82.3%,通过单因素实验得到菌群的最佳降解温度为35℃、p H7~8、盐度2 g/L。为探索菌群在不同p H值、盐度和温度的生长规律,建立菌群K2修正后的Gompertz生长预测一级和二级模型方程,所建立一级模型拟合精度较高,R2均在0.99以上,得到的偏差因子(Bf)和准确因子(Af)分别在1.0~1.1之间和1.0~1.5之间,模型精确可靠。(2)为解决微生物易流失的问题,首先是制备了一种可漂浮于水面的菌群固定化微球,加强菌群与溢油的有效接触。对生活垃圾中的头发进行炭化,通过调控其炭化温度,进行磷酸改性,制备一种毛发基生物炭。通过热重分析研究头发受热分解的规律,对制备得到的生物炭进行FTIR、XRD、SEM、BET分析,发现采用废弃毛发制备生物炭是可行的。当碳化温度为350℃时,生物炭比表面积最大达47.7744 m2·g-1。然后,以生物相容性较好的海藻酸钠(SA)为主要材料,辅以碳酸钙和毛发基生物炭对石油烃降解菌群进行包埋固定化研究。当SA的浓度为3%,毛发基生物炭的添加量为0.45%,交联剂浓度为5%,交联时间24 h时,所制备的固定化载体各项物理性能达到最优,且能够漂浮或悬浮于水中,载体的内部凹凸有致、疏松多孔,能够对菌群提供保护,保持菌群的活性。其次,以鼠李糖脂、天然皂粉等制备了一种绿色环保型分散剂。当最佳剂油比DOR为25%,在p H值为8、温度30℃、盐度3%的条件下乳化效果较好。通过测定制备的分散剂和菌群的表面张力,验证了两者之间的相互协同作用,并通过监测不同复配比下菌群的生长,确定1:9为分散剂与菌群的最佳复配比,分散剂与固定化菌群复配后对原油的7 d降解率达到92.25%。(3)通过在最优降解条件下得到的实验数据,建立原油浓度与固定化菌群之间的生长动力学方程。最终拟合得到的固定化菌群对原油污染物降解动力学方程为:lnc=-0.05398t+9.39687,原油的降解动力学方程模型符合以及动力学方程,拟合方程的相关性系数R2为0.97743,拟合度较高;原油降解动力学方程的半衰期为12.84 h,说明固定化菌群K2能够在原油污染物的降解修复过程中反应迅速。综上所述,本研究制备的固定化菌剂表现出良好的应用潜力,且与分散剂复配后有助于加快溢油的降解,促进环境修复。
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