表面活性剂的微生物高效降解机制和工艺研究——以盾构泡沫剂为例

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盾构泡沫剂作为土壤调节剂广泛应用地铁挖掘等盾构工程中,在盾构渣土处理和堆埋过程中产生盾构泡沫剂污染。盾构泡沫剂的主要成分表面活性剂对土壤微生物、水生生物等构成环境风险,其毒性和环境归趋引起人们的关注。微生物可以降解表面活性剂,盾构泡沫剂中含有多种不同类型的表面活性剂以及助剂,其微生物降解尚未见研究报道。为建立盾构泡沫剂的微生物降解工艺,本研究从活性污泥中筛选分离到数株高效降解菌,并探究了其降解菌对表面活性剂的降解效果和机制,初步探索了盾构泡沫剂废水的微生物处理工艺,主要研究结果如下:(1)从活性污泥中分离筛选得到6株表面活性剂高效降解菌,分别为BF-1、BF-2、BF-4、BF-6、BF-10 和 AS-2,其中 AS-2 菌株对十二烷基硫酸钠(SDS)、α-烯基磺酸钠(AOS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)和商品盾构泡沫剂的降解效率均达到90%以上,十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)的降解效率为78%,4种混合表面活性剂的降解效率为80%(以COD计算)。其他5株菌株对SDS和AES的降解效率也达到80%以上,但对AOS、BS-12和混合表面活性剂的降解效率为45~80%。基于全基因组测序鉴定菌株的系统发育特征,AS-2和BF-6鉴定为Pseudomonas nitroreducens,16S rDNA 测序分析,BF-1、BF-2、BF-10 鉴定为Pseudomonas sp.,BF-4鉴定为Aeromonassp.。研究分析了溶解氧、温度、pH等环境因素对该菌株表面活性剂降解效率和生长的影响,结果表明,该菌在饱和溶解氧(6mg/L)、22~28℃、pH为7等条件下,表面活性剂的降解效果和菌株生长达到最佳。(2)对菌株AS-2和BF-6的全基因组序列进行测定,它们的基因组全长均为6.7kb,基于全基因测序的物种注释结果,两株菌株都为Pseudomonas nitroreducens,通过基因序列分析,其中AS-2菌含有SDS和AES降解酶基因aslA,AOS降解酶基因ssuD,其中BF-6菌含有SDS和AES降解酶基因aslA,AOS降解酶基因ssuD,AS-2和BF-6菌株负责SDS、AES和AOS的降解酶基因在基因序列中所处位置并不同。AS-2和BF-6的烷基硫酸酯酶活性分别为1.12U/mg和0.54U/mg,预测SDS的降解途径存在两种,一种是断裂C-O键,降解产物为十二烷基,另一种是断裂O-S键,降解产物为十二醇、十二醛和十二烷酸。(3)为探索盾构泡沫剂的废水处理工艺,比较了预处理(UV-过硫酸盐法)和生物膜联合工艺和生物膜单独处理工艺的处理效果,两种方式处理6h的降解效率均为88%,无显著差异(P>0.05),因此生物膜单独处理工艺更具有简便性和成本优势。探究了溶解氧、表面活性剂浓度和微生物生物量等对生物膜处理效果的影响,结果表明,在表面活性剂初始浓度为50 mg/L,溶解氧2.5-6 mg/L,微生物生物量2.78-4.17 g/L(以湿重计算),处理24h可完全消除废水泡沫,其中表面活性剂和COD的降解效率分别为94%和60%。利用高效降解菌AS-2挂膜,微生物生物量3.39 x 1012 cfu/L,对盾构泡沫剂模拟废水的处理30h,表面活性剂和COD的降解效率分别为90%和55%。综上,本研究筛选获得了盾构泡沫剂高效降解菌,证实了P.nitroreducens AS-2对盾构泡沫剂中主要的表面活性剂具有高效降解作用,发现菌株AS-2具有表面活性剂降解酶-烷基硫酸酯酶的基因aslA和烷烃磺酸盐单加氧酶的基因ssuD。该降解菌可形成生物膜,探索了该生物膜对盾构泡沫剂废水的处理工艺,该技术将在盾构泡沫剂废水处理中具有应用前景。
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