十溴联苯醚生物降解特性及其降解机理的研究

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十溴联苯醚(Decabromodiphenyl ether,BDE-209)通常作为一种重要的添加型阻燃剂用于各种商业产品,包括塑料、纺织品、电子电路板、家具和制造材料等。由于其用途广泛且半衰期长,BDE-209已在水、大气、土壤、沉积物甚至生物样本中如动物体内、人类血清和母乳中被检测到。长期处于BDE-209暴露的环境下,会引起神经、免疫、生殖等毒性,对人类健康已产生了严重的危害。目前,已经尝试了许多技术以减少环境中的BDE-209,包括化学、物理和生物法。其中,生物降解因其成本低且对环境不产生二次污染而被认为是一种更有效的方法,但尚缺乏对BDE-209进行高效降解的好氧菌。本实验分离出一株有效的BDE-209好氧降解菌,并展开该菌株对BDE-209生物降解特性及机理的研究。主要结果和结论如下:(1)从活性污泥中分离出一株以BDE-209为唯一碳源和能源生长的好氧降解细菌。菌落呈白色,直径约为2-3 mm,表面光滑,圆形不透明,呈短杆状。经基因测序及发育树分析,鉴定为硝基还原假单胞菌(Pseudomonas nitroreducens)。通过正交试验发现温度、pH和接种量等三个主要因素对菌株生长的影响大小依次为:接种量>pH>温度。菌株生长的最优条件为30℃、pH 7、接种量10%。菌株在整个繁殖周期内,在第12 h进入对数生长期,第60 h到达生长稳定期,第96 h进入衰亡期。(2)添加合适种类和浓度的外加碳源可以提高P.nitroreducens对BDE-209的降解效率。实验结果发现,酵母粉和葡萄糖分别作为外加碳源加入降解体系中时,对BDE-209的生物降解均有促进作用。其中250 mg/L葡萄糖的促进效果最显著,在30℃、150 r/min条件下培养5 d后,BDE-209的降解率(初始浓度为10 mg/L)为76.23%。(3)通过正交实验得出pH、温度和接种量对P.nitroreducens生物降解BDE-209的影响依次为:pH>接种量>温度。在最优降解条件下(温度30℃、pH 7、接种量10%)降解5 d后BDE-209降解率(初始浓度为10 mg/L)最高可达78.86%。Cu2+的存在会影响P.nitroreducens对BDE-209的降解,低浓度的Cu2+(≤15 mg/L)轻微刺激BDE-209的生物降解,然而高浓度的Cu2+(≥30 mg/L)则抑制BDE-209的生物降解。(4)在不同BDE-209初始浓度下,随着降解的进行,菌株细胞表面疏水性(CSH)呈现先增大后减小的趋势,并在第3 d达到最大值为74.6%,表明菌株具有良好的疏水性。菌株细胞膜通透性在不同浓度BDE-209下差异显著,与低浓度的BDE-209相比,高浓度BDE-209对细胞膜通透性的影响程度更大。降解体系中加入不同浓度Cu2+对菌株CSH和细胞膜通透性也会有影响,菌体CSH的降低程度在高浓度Cu2+下会加快,且对细胞膜的破坏程度比低浓度Cu2+更大。此外,通过扫描电镜观察发现,在不含BDE-209和Cu2+的体系中,处于对数生长期(24 h)的细胞呈现光滑饱满的形态,而在分别含有10 mg/L BDE-209、10 mg/L BDE-209及100 mg/L Cu2+的体系中培养5 d后,细胞出现褶皱、凹陷甚至弯曲现象。(5)在优化条件下,P.nitroreducens对BDE-209的降解过程符合准一级动力学方程,半衰期为1.87~2.34 d。通过LC-MS分析了BDE-209生物降解的中间产物,发现了7种产物,分别为五溴联苯醚、四溴联苯醚、三溴联苯醚、3-溴邻苯二酚、3-羟基-2’,4,4’-三溴联苯醚、2,3-二羟基-4,4’-二溴联苯醚和3-羰基-4-溴-1,6-已二酸。根据上述中间产物推测出BDE-209的生物降解机理包括脱溴、羟基化、二苯醚键断裂和开环四个过程。
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