光催化降解水中喹啉及其中间产物的微生物抑制机理研究

光催化技术能够有效解决水中多种人工合成有机物的持久性污染问题，其与生物处理技术的联合应用在污水处理领域展现出明显的优势。然而，受光催化副产物形成的联合和交互毒性影响，水处理系统中土著微生物的正常生长和代谢受到抑制，其产生的综合累积效应以及对微生物代谢酶活性的抑制机理尚处于探索阶段。据此，本项目以典型合成有机物- - 喹啉为研究对象，利用定量PCR技术、DGGE和FISH技术，以及SOUR、ATP和氧电极微生物传感器等技术,并结合原子力显微镜、扫描电镜等手段研究光催化降解喹啉的副产物对专性降解菌和活性污泥生长和代谢抑制过程的影响，重点分析代表性有毒副产物在微生物表面的扩散、迁移规律，以及对转化酶的抑制和诱导作用，示踪分析抑制前后活性污泥中菌群生物多样性的动态变化，进而构建生物抑制动力学模型来合理评价有毒副产物对微生物生长的影响机制，为光催化技术应用于实际废水处理工程提供理论指导和技术支持。

为了验证高级氧化法与生化法的联用效率，本项目以典型含氮杂环化合物——喹啉为目标化合物，开展了喹啉光催化-生物法组合技术研究，解析了喹啉光催化降解动力学和中间产物，验证了产物的生物毒性，获得如下研究结论。.1. 分别制备了太阳光响应型Ag2S/Ag3PO4复合材料、氧化钽薄膜和商品德固赛P25薄膜，并选择10 wt.%浓度制备的P25薄膜为光催化组件，设计并制作了一种连续流内循环光催化反应器。由此提出了一个完整响应温度、曝气量、浓度和光照强度的降解动力学表达式：rs=0.35×10-3exp (−16906/RT)×Iα0.53×CO2/(1+1.29CO2)*0.024Cq/(1+0.024Cq)..2. HPLC和GC/MS分析结果显示喹啉光催化降解产物中包括2-和3-吡啶甲醛、2-和3-乙酰吡啶以及2-羟基喹啉。生物毒性测试结果显示，2-羟基喹啉和8-羟基喹啉的EC50值显著高于母体化合物喹啉。.3.光催化降解30min出水不利于活性污泥中可培养细菌的生长，受总生物量降低的影响，脱氢酶、蛋白酶活性明显下降。喹啉水溶液经过60min光催化降解后，并没有抑制水中细菌的生长，活性污泥中存在土著菌群具有专性降解或共代谢降解喹啉及其中间产物的特性。.4. 进一步构建连续流光催化-生物处理组合实验模型，研究了喹啉水溶液的降解过程，当光催化降解时间为60min时，组合系统出水中CODCr值保持在50mg/L左右，具有稳定的去除效率。当降解时间调整为30min时，出水CODCr值上升到90mg/L，且出水呈现粉红色。.5. 利用PCR-DGGE技术分析了喹啉水溶液光催化氧化后对活性污泥中微生物群落结构的影响，结果显示光催化30min的喹啉水溶液对活性污泥中微生物具有抑制性，微生物物种多样性下降，未培养细菌Clostridium sp.适应低营养基质条件使种群数量增大，而Sphingopyxis granuli sp.能够优先利用或共代谢喹啉水溶液光催化出水中的有机物从而发育成为新的优势种群。.6. 以喹啉为单一碳源、氮源和能源，筛选出3株喹啉专性降解菌，NCBI登录号分别为JX502666，KM277791和KM246901。其中1株睾丸酮从毛单胞菌（NCBI No. KM246901）的降解基因位于质粒上，并解析了其分解喹啉为2,8-二羟基喹啉的特异基因片段。