杞柳對(duì)水中2, 4-二氯苯酚的降解.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-杞柳對(duì)水中2,4-二氯苯酚的降解施翔1,2，陳益泰1*，段紅平21.中國(guó)林科院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江富陽(yáng)311400；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650201摘要：通過(guò)在人工配制的含有2,4-二氯苯酚（2,4-DCP,2,4-Dichlorophenol）的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)杞柳（Salixintegra），研究了杞柳在不同處理?xiàng)l件下對(duì)水溶液中2,4-DCP的去除效率，并探討了其對(duì)2,4-DCP降解的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。結(jié)果表明，在抑菌和不抑菌處理?xiàng)l件下，杞柳對(duì)水溶液中的2,4-DCP有促進(jìn)降解的作用，在96h內(nèi)杞柳對(duì)20mgL-1的2,4-DCP去除效率分別為：76.9%、81.1%，并且對(duì)2,4-DCP的去除都符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程；而沒(méi)有杞柳生長(zhǎng)的水體中2,4-DCP的降解率為0%。2,4-DCP的植物吸收降解、微生物降解對(duì)2,4-DCP去除的貢獻(xiàn)率約為：92.57、7.43。在模擬光照下，杞柳在48h內(nèi)能去除水中約52.37%的2,4-DCP。同時(shí)，根系組織中多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶活性受到了2,4-DCP明顯的抑制。試驗(yàn)所采用的質(zhì)量濃度對(duì)杞柳沒(méi)有產(chǎn)生毒害作用，表明杞柳是修復(fù)水中2,4-DCP較好的材料。關(guān)鍵詞：杞柳；2,4-二氯苯酚；動(dòng)力學(xué)；降解中圖分類號(hào)：X173文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-2175（2008）02-0500-06環(huán)境中氯酚類化合物主要來(lái)源于大量生產(chǎn)和使用的殺蟲劑與除草劑，焚燒廢棄物，造紙，水質(zhì)處理等等。氯酚類化合物具有致癌、致畸、致突變的潛在毒性1-2。2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）廣泛存在于生產(chǎn)氯代芳香化合物的廢水中，此外也存在于染料和增塑劑等的生產(chǎn)廢水中。2,4-DCP及其衍生物都是有毒、難降解化合物，是環(huán)保中需要控制的一大類污染物。美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家已把2,4-DCP列入水中有害物質(zhì)或優(yōu)先污染物“黑名單”3。目前，氯酚的去除方法主要有物理化學(xué)法和生物法，如活性炭吸附、化學(xué)氧化、光催化和好氧厭氧生物降解4-9?，F(xiàn)在有效的物理化學(xué)方法成本比較高，并且在治理后要注意防止環(huán)境的二次污染問(wèn)題4。微生物降解對(duì)環(huán)境條件的要求較苛刻，微生物群落間的相互競(jìng)爭(zhēng)、溫度、營(yíng)養(yǎng)物等都會(huì)影響去除效果，因此很難利用微生物修復(fù)低濃度的污染物2。相對(duì)于傳統(tǒng)的物理化學(xué)法和生物法，植物修復(fù)是一種新型、經(jīng)濟(jì)、有效、非破壞型的修復(fù)方式，被認(rèn)為是一種有潛力的污染修復(fù)技術(shù)10。有研究表明植物是修復(fù)水中酚類化合物的有效材料，其體內(nèi)組織中含有能夠解毒的過(guò)氧化物酶11。目前許多研究人員展開了植物對(duì)2,4-DCP的去除研究，但大多以草本植物和農(nóng)作物為主12-14。相比于草本植物，木本植物特別是高大的喬木具有生物量大，不參與食物鏈的優(yōu)點(diǎn)。柳樹是一種落葉喬木，速生樹種，適應(yīng)性強(qiáng)，易繁殖，在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和瑞典等國(guó)家已經(jīng)作為一種生物能源作物。目前柳樹主要應(yīng)用在石油烴和多環(huán)芳烴的修復(fù)，利用柳樹對(duì)水中2,4-DCP進(jìn)行修復(fù)的報(bào)道僅有一篇15。本試驗(yàn)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)室前期預(yù)試驗(yàn)，選用材用與觀賞兼用的杞柳（Salixintegra）為材料，研究了其促進(jìn)2,4-DCP降解的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，探討了2,4-DCP在水中的降解機(jī)理，為植物修復(fù)有機(jī)污染水體的研究與應(yīng)用提供理論依據(jù)。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料和儀器杞柳采集自山東。試驗(yàn)前將杞柳插條（長(zhǎng)度約為8cm）扦插置于直徑大約15cm的圓桶內(nèi)的泡沫板上，往桶中注入改良的霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液（Hoaglandsolution）進(jìn)行培養(yǎng)，連續(xù)不斷充氣，自然光照，溫度為2530。在培養(yǎng)過(guò)程中維持pH處理，6周后，選擇生長(zhǎng)相似的杞柳進(jìn)行處理。2,4-DCP標(biāo)準(zhǔn)品由Sigma公司提供，2,4-DCP分析純由上海國(guó)藥集團(tuán)提供；二氯甲烷、甲醇（以上均為色譜純，上海國(guó)藥）、丙酮、氯化鈉、濃硫酸、無(wú)水硫酸鈉、兒茶酚、愈創(chuàng)木酚、過(guò)氧化氫（以上均為分析純，上海國(guó)藥）、氨芐青霉素（上海生工）。Agilent6890N氣相色譜儀配FID檢測(cè)器，J&WDB-1701毛細(xì)管柱(30m0.32mm0.25m)（美國(guó)Agilent公司），AF2104S型萬(wàn)分之一電子天平，723型分光光度計(jì)(以上均為上海精密儀器廠)，5804R高速冷凍離心機(jī)（德國(guó)eppenderf公司）。1.2試驗(yàn)方法Hoagland營(yíng)養(yǎng)液成分如下：KNO30.51gL-1，Ca(NO3)20.82gL-1，MgSO47H2O0.49gL-1，KH2PO40.136gL-1，F(xiàn)eSO40.6mgL-1，H3BO32.86mgL-1，MnCl24H2O1.81mgL-1，ZnSO47H2O0.22施翔等：杞柳對(duì)水中2,4-二氯苯酚的降解501mgL-1，(NH4)6Mo7O240.45mgL-1，EDTA0.744mgL-1。為抑制藻類的生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)液中還加入10mgL-1CuSO416。以甲醇作為助溶劑，配制含有2,4-DCP的Hoagland培養(yǎng)液各兩份，其中一份再加入氨芐青霉素10mgL-1以抑制微生物但不影響植物的生長(zhǎng)17得到營(yíng)養(yǎng)液A，另一份則作為不抑菌處理的營(yíng)養(yǎng)液B。以直徑大約15cm的圓桶為培養(yǎng)容器。選擇莖長(zhǎng)大約50cm的杞柳移入圓桶中，每個(gè)圓桶移入5株，加入1.5L含20mgL-12,4-DCP的營(yíng)養(yǎng)液。試驗(yàn)分為以下6個(gè)處理：.杞柳，營(yíng)養(yǎng)液A，主要考察杞柳的吸收降解作用；.杞柳，營(yíng)養(yǎng)液B，主要考察杞柳和水中微生物的聯(lián)合作用；.營(yíng)養(yǎng)液A，主要是酚類物質(zhì)的自身降解作用；.營(yíng)養(yǎng)液B，主要考察微生物的降解作用；.營(yíng)養(yǎng)液A+杞柳根5g，主要考察根系分泌物的作用；.營(yíng)養(yǎng)液B+杞柳根5g，主要考察根系分泌物和微生物的作用。每個(gè)處理組設(shè)3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，通過(guò)加入鹽酸或NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值，使之維持在56之間，適宜植物生長(zhǎng)。在培養(yǎng)的6、24、48、72、96h分別隨機(jī)取每個(gè)處理組的3個(gè)樣，測(cè)定溶液中2,4-DCP的含量，同時(shí)測(cè)定處理和處理中杞柳根系多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶的活性。試驗(yàn)時(shí)將圓桶密封并且涂成黑色，以免2,4-DCP光解和自然揮發(fā)，同時(shí)在前四個(gè)處理中另設(shè)10mgL-1的處理，于96h后取樣測(cè)定溶液中2,4-DCP的含量。另做自然光照下對(duì)柳樹2,4-DCP的去除效果研究。在250mL的三角瓶中加入200mL含20mgL-12，4-DCP的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液A。向三角瓶中移入莖長(zhǎng)大約50cm的杞柳。用軟木塞將瓶口封住，將三角瓶放置在日光燈下，光照強(qiáng)度為1660lx。同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照，即用錫紙遮光。于48h后取水樣分析2,4-DCP的含量。1.3樣品分析1.3.1水樣預(yù)處理取水樣50mL置250mL分液漏斗中，用硫酸調(diào)pH值至23，加入3g氯化鈉，搖動(dòng)使其溶解。然后加入25mL二氯甲烷萃取，分離有機(jī)相。再向水相中分別加入10、10、5mL二氯甲烷各萃取一次，合并四次有機(jī)相。萃取液經(jīng)鋪有無(wú)水硫酸鈉層的漏斗脫水后直接進(jìn)氣譜分析。1.3.2色譜條件色譜柱：毛細(xì)管柱J&WDB-1701，氫氣流量：30.0mLmin-1，尾吹氣流量：25.0mLmin-1，流量：2.0mLmin-1，分流比：21，進(jìn)樣口溫度：250，檢測(cè)器(FID)溫度：250、程序升溫，在90保持1min，然后以6min-1升到190。1.3.3多酚氧化酶（PPO）和過(guò)氧化物酶（POD）活性的測(cè)定多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶酶液的提取按照將益虹的方法進(jìn)行18。PPO活性的測(cè)定：酶反應(yīng)體系包括3.9mLpH6.0的磷酸緩沖液，1mL0.2molL-1兒茶酚、0.2mL酶液，反應(yīng)體系加入酶液后混勻，于37保溫10min后，在波長(zhǎng)410nm處測(cè)定吸光度的變化值，即A410每隔30s記錄1次吸光度，共記錄3min。酶的比活力（0.01A/g(鮮質(zhì)量)，min）=A/0.01WtD式中A為反應(yīng)時(shí)間內(nèi)吸光度的變化；W為植物樣鮮質(zhì)量(g)；t為反應(yīng)時(shí)間；D為稀釋倍數(shù)。由于酶的比活力與A410值成正比，因此，本試驗(yàn)以A410值變化表示PPO活性的變化。POD酶活性的測(cè)定：酶反應(yīng)體系包括0.5mL愈創(chuàng)木酚，100mL0.2molL-1pH8.0的磷酸緩沖液，取酶液50L加入3mL反應(yīng)液中，加入20LH2O2反應(yīng)，于37保溫10min后，在波長(zhǎng)470nm處測(cè)定吸光度的變化值，即A470（每隔30s記錄1次吸光度，共記錄3min），同樣本試驗(yàn)以A值變化表示POD活性的變化。1.3.4數(shù)據(jù)分析使用DPS7.05和Excel2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用OriginPro7.5作圖，數(shù)據(jù)以平均值標(biāo)準(zhǔn)差(meanSD)來(lái)表示。2,4-DCP的去除效率=(水中起始-處理組剩余)/水中起始100-(水中起始-對(duì)照最剩余)/水中起始100%2結(jié)果2.12,4-DCP的降解過(guò)程各處理組質(zhì)量濃度的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，處理組杞柳+營(yíng)養(yǎng)液A和杞柳+營(yíng)養(yǎng)液B中2,4-DCP的質(zhì)量濃度都下降顯著，分別由20.0mgL-1降至4.62mgL-1和3.78mgL-1；處理組營(yíng)養(yǎng)液A和處理組營(yíng)養(yǎng)液B的質(zhì)量濃度基本上沒(méi)有變化，主要是因?yàn)?,4-DCP具有兩個(gè)氯取代基,自身降解難度大。處理組營(yíng)養(yǎng)液A+根系中2,4-DCP的質(zhì)量濃度由20mgL-1降至14.11mgL-1；處理組營(yíng)養(yǎng)液B+根系中2,4-DCP的質(zhì)量濃度由20mgL-1降至13.43mgL-1。2,4-DCP的下降速率分別為3.845、4.055、0、0、1.473、1.643mgL-1d-1。A502生態(tài)環(huán)境第17卷第2期（2008年3月）根據(jù)一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程Ct=C0e-kt對(duì)除空白對(duì)照組外的四個(gè)處理組質(zhì)量濃度下降過(guò)程進(jìn)行擬合，方程中Ct為某一時(shí)刻水溶液中2,4-DCP的質(zhì)量濃度，mgL-1；C0為2,4-DCP的起始添加質(zhì)量濃度，mgL-1；k為降解速率常數(shù)，h-1；t為時(shí)間，h。四個(gè)處理組降解速率常數(shù)及方程見表1。根據(jù)T1/2=ln2/k計(jì)算2,4-DCP在各處理組的降解半衰期，其中k為降解常數(shù)。從圖1和表1可以看出，不同處理下杞柳對(duì)2,4-DCP的降解呈現(xiàn)不同的降解規(guī)律，但各處理組的降解均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程，在以上四個(gè)處理中，2,4-DCP的降解快慢由大到小的順序?yàn)殍搅?營(yíng)養(yǎng)液B，杞柳+營(yíng)養(yǎng)液A，根系+營(yíng)養(yǎng)液B，根系+營(yíng)養(yǎng)液A，降解半衰期分別為46.83、50.59、210.04、223.60h，說(shuō)明在不同的處理?xiàng)l件下，2,4-DCP的降解速率有所不同。2.2不同環(huán)境條件下杞柳對(duì)2,4-DCP去除效果的比較各處理組的去除效率見圖2，各處理組去除效率分別為76.9%、81.1%、0、0、29.5%、32.9%。通過(guò)對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差檢驗(yàn)，杞柳處理組和根系處理組水中2,4-DCP的去除率與空白對(duì)照組的存在顯著差異（LSD比較，p0.01），說(shuō)明杞柳和根系對(duì)水中2,4-DCP降解有明顯的促進(jìn)作用。但根系處理組之間不存在顯著性差異，而杞柳處理組之間在p=0.05水平上有顯著差異，說(shuō)明微生物降解和根際降解并不是本體系去除水中2,4-DCP的主要途徑。由圖3可知，在抑菌和不抑菌的條件下杞柳對(duì)10、20mgL-1的2,4-DCP去除效率分別為73.05%、91.1%、76.9%、81.1%；對(duì)照組的去除效率則分別為0.04%、0.03%、0、0。2,4-DCP的下降速率分別為1.87、2.30、3.85、4.06mgL-1d-1，去除效率隨著2,4-DCP質(zhì)量濃度的升高而降低，降解速率隨著質(zhì)量濃度的升高而升高。由圖4可知，在模擬光照條件下，各處理組中2,4-DCP的質(zhì)量濃度在48h內(nèi)分別由20mgL-1下降到了9.53和16.53mgL-1，去除效率為52.37%、18.25%。而避光環(huán)境下，48h內(nèi)對(duì)照組的去除效率分別為41.60%、0%，表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用。2.3多酚氧化酶(PPO)和過(guò)氧化物酶(POD)活性的變化多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶被認(rèn)為是氧化酚類化合物的重要酶。2,4-DCP對(duì)杞柳根系PPO的活性影響見圖5。由圖可知，在前24h（杞柳+營(yíng)養(yǎng)液B處理組是前48h）表12,4-DCP在不同處理中的降解參數(shù)及方程Table1Kineticsandparametersof2,4-DCPindifferentcontrols處理降解動(dòng)力學(xué)方程Ct=C0e-kt相關(guān)系數(shù)R2降解速率常數(shù)/h-1半衰期/h杞柳+營(yíng)養(yǎng)液ACt=20.213e-0.0137t0.95340.013750.59杞柳+營(yíng)養(yǎng)液BCt=18.768e-0.0148t0.93150.014846.83根系+營(yíng)養(yǎng)液ACt=19.672e-0.0031t0.94680.0031223.60根系+營(yíng)養(yǎng)液BCt=19.913e-0.0033t0.83100.0033210.040.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%100.00%柳樹+營(yíng)養(yǎng)液A柳樹+營(yíng)養(yǎng)液B營(yíng)養(yǎng)液A營(yíng)養(yǎng)液B處理去除率10mgL-120mgL-1圖3杞柳對(duì)不同初始濃度2,4-DCP的去除效果Fig.3Comparisonof2,4-DCPremovalwithdifferentinitialconcentrationsbySalixintegra0510152025020406080100120t/h2，4-二氯苯酚質(zhì)量濃度/(mgL-1)杞柳+營(yíng)養(yǎng)液A杞柳+營(yíng)養(yǎng)液B營(yíng)養(yǎng)液A營(yíng)養(yǎng)液B根系+營(yíng)養(yǎng)液B根系+營(yíng)養(yǎng)液B圖1杞柳促進(jìn)2,4-DCP降解的動(dòng)力學(xué)過(guò)程Fig.1Kineticsprocessof2,4-DCPdegradationbySalixintegra0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%杞柳+營(yíng)養(yǎng)液A杞柳+營(yíng)養(yǎng)液B營(yíng)養(yǎng)液A營(yíng)養(yǎng)液B根系+營(yíng)養(yǎng)液A根系+營(yíng)養(yǎng)液B處理去除率圖2各處理組對(duì)2,4-DCP的去除效果Fig.2Comparisonof2,4-DCPremovalindifferenttreatments施翔等：杞柳對(duì)水中2,4-二氯苯酚的降解5032,4-DCP對(duì)PPO表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制作用，表明PPO對(duì)于2,4-DCP是相當(dāng)敏感的，隨后酶活性逐漸上升。最后兩個(gè)處理的柳樹根系酶活性趨于一致。2,4-DCP對(duì)杞柳根系POD活性的影響見圖6。由圖可知，在前48h2,4-DCP對(duì)POD表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制作用，表明POD對(duì)于2,4-DCP是相當(dāng)敏感的，隨后在營(yíng)養(yǎng)液B中柳樹根系的POD活性在72h后趨于平穩(wěn)。而在營(yíng)養(yǎng)液A中柳樹根系的POD活性則表現(xiàn)為激活-抑制效應(yīng)。同PPO的變化一樣，最后兩個(gè)處理的酶活性趨于一致。多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶活性的下降趨勢(shì)與水中2,4-DCP的下降一致。3討論柳樹具有高效吸收宏量或微量元素能力，有高生物量，能夠有效地吸收營(yíng)養(yǎng)，高蒸騰效率，這些特點(diǎn)使杞柳適合作為過(guò)濾器，來(lái)凈化污水19-20。從本研究的結(jié)果可以看出，杞柳對(duì)含有2,4-DCP的水體有著較好的去除效率，表明杞柳修復(fù)有機(jī)污染水體方面有著良好的應(yīng)用前景。目前有研究表明，有機(jī)污染物的去除主要通過(guò)兩條途徑21，一條途徑是揮發(fā)到空氣中或者被植物吸收轉(zhuǎn)移到莖葉；另一條去除途徑是通過(guò)礦化或者通過(guò)微生物和植物降解。從動(dòng)力學(xué)研究來(lái)看，在理想狀態(tài)下，營(yíng)養(yǎng)液中2,4-DCP的總降解常數(shù)是各降解途徑的降解常數(shù)之和22，故處理組杞柳+營(yíng)養(yǎng)液A()與抑菌空白對(duì)照組()的降解常數(shù)之差即為杞柳吸收與降解引起的營(yíng)養(yǎng)液中2,4-DCP降解速率常數(shù)，而處理組杞柳+營(yíng)養(yǎng)液B()與處理組杞柳+營(yíng)養(yǎng)液A()之差可認(rèn)為由微生物引起的營(yíng)養(yǎng)液中2,4-DCP降解速率常數(shù)，(-)/即為杞柳本身的吸收與降解對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中2,4-DCP降解的貢獻(xiàn)率，(-)/則為微生物降解引起的營(yíng)養(yǎng)液中2,4-DCP降解的貢獻(xiàn)率。由此計(jì)算得到杞柳的吸收與降解和微生物降解水中2,4-DCP的貢獻(xiàn)率分別為92.57%、7.43%，可以看出，微生物在修復(fù)水中2,4-DCP的作用比較小，杞柳對(duì)水中2,4-DCP的吸收、積累和降解起絕對(duì)重要作用。按照上面的方法可計(jì)算杞柳根系降解水中2,4-DCP的貢獻(xiàn)率為22.63%，說(shuō)明根系降解并不是