固定化阿特拉津降解菌-藻体系的构建及去除水体中阿特拉津的研究

This study was conducted to provide oxygen released by algae for the growth of atrazine degrading bacteria, immobilize atrazine degrading bacteria and algae with inert and porous materials to prepare micro immobilized atrazine degrading bacteria-algae composites. Under suitable reticular micro-environment, due to the photosynthesis of algae the atrazine degrading bacteria gain high removal rate without the problem of insufficient dissolved oxygen. The immobilization improved the tolerability of bacteria and algae to the bad environment and increase the bacteria-algae concentration dramatically. The influence of inert and porous materials, process conditions for composites preparation, ratio and species of atrazine degrading bacteria and algae will be researched to optimize process conditions and parameters for composites preparation. Atrazine in water was removed by the immobilized atrazine degrading bacteria-algae composites under different condition without aeration. The reaction rate and product distribution, mechanism and kinetics model on atrazine removal from water will be studied through batch experiments systematically. The correlation of microbial community structure change and atrazine biodegradation will be investigated by PCR-DGGE. For the parameters modification purpose, simulation experiments will be carried out to investigate removal of atrazine removal from water under flow conditions.

项目利用活性微藻为阿特拉津降解菌提供丰富的氧气，并用特定材料将阿特拉津降解菌与微藻包埋固定在多孔惰性材料上形成固定化阿特拉津降解菌-藻体系。在体系所形成的微环境中，微藻的光合作用可以有效地增加体系中的溶解氧，从而解决水体溶解氧浓度低的限制问题；包埋固定化处理使阿特拉津降解菌获得相对稳定的生存环境，从而保持较高的存活率和浓度。通过对固定化材料的选择，构建条件的优化及阿特拉津降解菌与微藻生物量比例和种类的选择，影响因素的研究等确定固定化体系构建的最佳参数。在无需外界曝气充氧的条件下利用该固定化体系去除水体中的阿特拉津污染物，考察去除效果及多种环境因素的影响。利用批实验研究固定化体系去除阿特拉津的产物和速率，阐明作用机理和动力学。利用现代分子生物学技术探明阿特拉津降解过程与体系中微生物群落结构变化的相关性。通过模拟实验研究固定化体系在动态条件下对水体中阿特拉津的去除情况，并对有关参数进行修正。

本研究分离筛选出3株阿特拉津高效降解菌。经鉴定，菌株CS3和100TPT1为产脲节杆菌，菌株TT3为柠檬球菌属。目前还未见有柠檬球菌属菌株降解阿特拉津的报道。本研究为生物修复阿特拉津污染环境提供了新的选择，也丰富了微生物资源。菌株TT3和CS3生长和降解阿特拉津的pH范围较宽且均具有较好的耐碱性，为未来偏碱环境中阿特拉津污染修复提供了良好的候选菌株。以海藻酸钠为包埋材料对菌株TT3和普通小球藻进行固定，通过正交实验获取了固定化微球最佳制备条件：海藻酸钠5%、CaCl2 4%、菌悬液和藻悬液的体积均为30 mL（菌液浓度5.0×108 CFU/mL，藻液浓度为5.0×106个/mL）。扫描电镜观察表明，固定化微球中含有多孔网状结构，为降解菌和微藻细胞的固定提供位点，为吸附底物提供了大的表面积。对影响固定化细胞降解阿特拉津的因素和操作稳定性研究结果表明，在温度胁迫、酸碱胁迫和重金属离子胁迫条件下，固定化细胞3 d后对阿特拉津的降解率高出游离细胞13%-60%，其中共固定菌藻比固定化单菌处理至少高出5%左右，最高达24%。20℃条件下储存50 d后固定化细胞依然保持80%以上的降解率，游离细胞则降低至19.49%。说明固定化处理提高了降解菌对不良环境和有毒物质的耐受力。其中共固定菌藻处理对阿特拉津的降解效果明显好于固定化单菌。固定化微球对阿特拉津的吸附符合准一级动力学方程，说明该吸附过程是由单因素决定的。固定化微球对阿特拉津的等温吸附能更好地遵循Langmuir模型，表明该吸附过程符合单分子吸附模式。在生物降解期间，吸附对整个阿特拉津去除过程的贡献在早期反应阶段中很重要，当达到吸附平衡后生物降解是主要过程。降解动力学研究表明Haldane模型与所获得的实验数据最吻合。与游离细胞相比，固定化细胞的底物抑制常数KI的值更高，表示固定化细胞提高了对底物抑制的抗性。为期30 d的小型模拟实验结果表明，固定化菌藻微球具有高效且持久的阿特拉津降解效果。运行15 d后共固定菌藻微球对阿特拉津的降解能力没有降低，也未变形破裂，有较好的实际应用价值。