IKPF 工程菌株深度处理长江饮用水源 PAHs 研究1.doc

IKPF 工程菌株深度处理长江饮用水源 PAHs 研究1张宴 2，吴兵 2，张徐祥 2，李梅 2，崔益斌 2，顾继东 3，程树培 1，21.污染控制与资源化国家重点实验室，南京（210093）2.南京大学环境学院，南京（210093）3.香港大学生命学院，香港E-mail: chengspnju.edu.cn摘要：应用跨界原生质体融合（IKPF）菌株 Xhhh 和 Fhhh 及土著细菌 NJ，建立了 3 个生物滤池模型，研究深度处理长江饮用水源多环芳烃（PAHs）创新技术。检测的结果是，土 著细菌 NJ 生物滤池对 PAHs 的比降解率为 0.055d-1，Xhhh 为 0.043d-1，Fhhh 为 0.098d-1。工程菌株 Fhhh 的比降解率，高出土著细菌 78，而工程菌株 Xhhh 不及土著细菌。研究表明，IKPF 菌株 Fhhh 具有降解 PAHs 优势，可以增加饮用水的安全性。 关键词：饮用水源；POPs；深度处理；工程菌株；生物滤池中图分类号：X172引言长江流域的经济生产总值（gross domestic product，GDP）约占中国的 1/3，长江是中国 近 1/3 人口的生命之水，同时承载着中国近 1/3 的工农业污染。南京地处长江下游，以长江 为饮用水源。2007 年检测长江饮用水源及南京民用自来水的结果表明，存在多环芳烃（polyaromatic hydrocarbon, PAHs）的污染现象1-3。 多环芳烃（PAHs）是一类持久性有机污染物（persistent organic pollutants, POPs），具有诱发致癌、生殖、免疫、神经等环境疾病的毒性威胁。生产自来水的常规处理方法，不能 去除饮用水源中的微量 PAHs。饮用水中 µg/L 的 PAHs，即可通过人体的吸收富集和代谢转 化，产生持久的分子毒性，威胁人体的终身健康，威胁后代的生命质量。人们不可能放弃长江饮用水源，为了保障饮用水安全，本课题应用了跨界原生质体融合（inter-kingdom protoplast fusion, IKPF）工程菌株 Xhhh 和 Fhhh，及土著细菌 NJ，建立了 3 个活性炭和沙砾混合载体的生物滤池模型，研究深度处理长江饮用水源的创新技术。结果表 明，IKPF 工程菌株 Fhhh 降解 PAHs 的优势最为突出。Xhhh 和 Fhhh 均是 3 个亲本菌株的真核原核两界细胞的原生质体跨界融合产物，它们之 间的区别是，Xhhh 细菌亲株来自合成制药废水处理系统，Fhhh 细菌亲株来自石化废水处理系统。现场工程证明，Fhhh 具有降解苯环污染物的特效性能4，Xhhh 具有降解杂环污染物 的特效性能5,6。PAHs 是苯环污染物，所以 Fhhh 降解优势最为突出，Xhhh 则不及土著细菌。综合应用膜技术（membrane technique, MT）和生物滤池（biofilter, BF）技术，合称为 膜生物滤池（membrane biofilter, MBF）技术，是饮用水深度处理技术的发展趋势，已有许 多成功的例证。本课题即将进行 MBF 中的膜技术研究。应用生物滤池技术原理和 IKPF 整 合基因资源原理，是项目的创新点所在。1材料与方法1.1 菌株1 本课题得 到 国家教育 部 WTWER0720 ；江苏省 科 技 厅 BZ2007064 和江苏省 检测中心 苏环 检 测(2007)65-0711的资助。- 5 -Xhhh 和 Fhhh，由本课题组构建 7。土著细菌 NJ 为长江水源中自然菌株。1.2 培养基普通真菌培养基，普通细菌培养基8。1.3 水质检测色谱质谱（GC/MS）检测 POPs 和 EDCs； 等离子光谱（ICP-J-A1100）检测金属污染物； TOC6000A 分析仪检测总有机碳（TOC）； 磷脂法测检膜生物量9；酸式高锰酸钾法检测 CODMn； 过硫酸盐氧化法检测 TN 和 TP10。长江南京饮用水源 2007/8/23-10/5 期间的水质检测结果，见表 1。表 1 长江饮用水源水质检测结果，(mg/L)参数数值参数数值参数数值参数数值参数数值CODMn0.811.50pH7.88.1Mn0.01Fe0.24Ni0.01TOC3.759.28Cr0.02Pb0.06Ti0.02Ca41.02NH3-N0.331.06Cu0.01Zn0.01Al0.68Co0.01TP0.010.19Li0.01B0.04Se0.11Pt0.201.4 生物滤池模型参数生物滤池材料为 PVC 管材。柱高 100cm；直径 12 cm，有效容积 10L。填料活性炭 2L 和沙砾 1L，粒径 0.8-1.2 mm。3 种菌剂各 2L 分别投加于生物滤池模型中驯化挂膜，进水流 量 0.5L/d，溶解氧(DO)1.5 mg/L，连续 5d 后，48h 内负荷比增加至 3m3/（m2·h），去除 CODMn10%为挂膜结束标志。稳定运行 42d，水力停留时间 20min，10-20，负荷比 3m3/（m2·h）， 反冲洗强度 20L/（m2·sec）持续 2min，DO 为 1.5 mg/L。2. 结果与讨论在 2007/8/23-10/5 生物滤池模型稳定运行的 42 天期间，检测 10 批样品的结果见表 2。 从表 2 可以看出，生物滤池模型的长江饮用水源进水的 CODMn 为 0.85-1.50 mg/L，均值为 1.20mg/L；进水 TOC 为 4.07-9.28 mg/L，均值为 6.87 mg/L；进水中 13 种 PAHs 总浓度为0.058-0.102µg/L，均值为 0.081µg/L。污染物的比降解率（specific degradation rate, SDR）是指单位生物量在单位时间内，降 解去除有机污染物量的比值，即 SDR降解污染物量单位/（生物量单位·时间单位）。当污 染物量的单位与生物量的单位相同时，SDR 单位为时间-1，常用的有 h-1 和 d-1 等。在处理工 程中，SDR 称为生物负荷率（biological loading rate, BLR）。SDR 和 BLR 两者定义相同， 单位相同。前者多用于研究，或者多用于工程，参数水平具有国际可比性。检测 NJ、Xhhh、Fhhh 三个生物滤池模型，在稳定运行 42 天期间的比降解率（SDR）， 比较三个菌株在同等生物滤池的硬件条件下，降解 CODMn、TOC、PAHs 性能的差异。应用 表 2 的进出水参数，计算出比降解率的参数水平，结果见表 3。从表 3 可以看出，Fhhh 生物滤池模型的 3 项比降解率均值，均为最高水平；土著细菌 生物滤池模型的 3 项比降解率均值，均处第 2；而 Xhhh 生物滤池模型的 3 项比降解率均值，均处最低水平。IKPF 菌株 Fhhh 是 3 个亲本菌株（PC 真菌、SC 酵母、YZ 土著细菌）真核原核两界细 胞的原生质体跨界融合产物。亲株 YZ 土著细菌，来自石化废水生物处理系统，降解的目标 污染物是苯环污染物。2001-2004 年国家 863 项目的现场工程证明，Fhhh 去除石化废水中苯 环污染物的比降解率（SDR）是土著细菌的 7 倍。PAHs 是苯环污染物，Fhhh 在本项研究中 去除 PAHs 的比降解率水平最高，吻合以前的研究结果。表 2 生物滤池模型进出水参数检测结果批次12345678910CODMn滤(mg/L)池TOC进(mg/L)0.851.351.441.380.860.811.501.491.450.874.078.088.808.324.153.759.289.208.884.21水PAHs (µg/L) 生物量土(mg/L)著 CODMn菌(mg/L)TOC滤(mg/L)0.0580.0910.0970.0930.0580.0550.1020.1010.0980.059175.170.368.0674.654.2124.3193.0294.383.026.70.280.100.100.560.340.100.310.750.250.033.151.681.315.133.331.423.035.523.231.08池PAHs(µg/L)0.0190.0070.0070.0380.0230.0070.0210.0510.0170.002X生物量h(mg/L) hCODMn h(mg/L)滤TOC池(mg/L)PAHs(µg/L) F生物量h(mg/L) hCODMn h(mg/L)滤TOC池(mg/L)PAHs(µg/L)129.5102.185.5180.0147.9104.888.6152.0132.365.70.340.210.120.580.430.210.140.450.370.062.371.871.713.843.151.651.623.022.481.110.0230.0140.0080.0390.0290.0140.0090.0300.0250.004123.757.341.5199.070.322.722.8108.268.056.00.380.180.160.530.350.110.110.250.280.073.011.621.403.272.581.141.141.372.051.400.0260.0120.0110.0360.0240.0070.0070.0170.0190.005表 3 生物滤池菌株对 CODMn、TOC、PAHs 比降解率的计算结果样品土著细菌 NJ，（d-1）Xhhh 菌株，（d-1）Fhhh 菌株，（d-1）批次1CODMn0.235TOC0.379PAHs0.017CODMn0.317TOC0.946PAHs0.019CODMn0.274TOC0.617PAHs0.01921.2796.5520.0860.8744.3440.0531.4718.1190.09831.4187.9320.0961.1426.0410.0772.22212.8520.14940.0860.3410.0050.3291.7930.0220.3071.8260.02250.6911.0900.0460.2520.4870.0140.5231.6080.03660.4101.3490.0290.4871.4420.0292.2138.2540.15170.4442.3330.0310.9676.2260.0774.39425.7400.30080.1800.9000.0120.3502.9280.0340.8265.2100.05591.0424.9010.0700.6533.4820.0411.2387.2310.084102.2688.4500.1540.8883.3980.0609.6313.6140.070均值0.8063.4220.0550.6263.1080.0432.3117.5070.098IKPF 菌株 Xhhh 是 3 个亲本菌株（PC 真菌、SC 酵母、XZ 土著细菌）真核原核两界细胞的原生质体跨界融合产物。Xhhh 与 Fhhh 的区别在于，它们的细菌亲株分别是 XZ 和 YZ。 Xhhh 的土著细菌亲株 XZ，来自合成制药废水生物处理系统，降解的目标污染物是杂环污染 物。而本项研究的目标污染物是 PAHs 苯环污染物，所以 Xhhh 不居优势，不及土著细菌。综上所述，IKPF 菌株去除 PAHs 比降解率水平的高低，受到了亲株细菌的基因资源重 要影响，在 2 个真菌亲株相同的条件下，土著细菌亲株的来源及其基因资源，就成了决定 IKPF 菌株降解目标污染物水平高低的关键因素。致谢感谢国家教育部WTWER0720；江苏省科技厅BZ2007064；江苏省检测中心苏环检 测(2007)65-0711的立项资助。感谢孙石磊，赵大勇和贾海鹰师兄的帮助。参考文献1杨敏娜, 周芳, 孙成等. 长江江苏段有毒有机污染物的残留特征及来源分析. 环境科学. 2006, 25(3):375-376.2 Sun C., Dong Y., Xu S. et al. Trace analysis of dissolved polychlorinated organic compounds in the water of the Yangtse River (Nanjing, China). Environmental Pollution, 2002, 117:914.3 Jiang X., Martens D., Schramm K.W. et al. Polychlorinated organic compounds (PCOCs) in waters, suspended solids and sediments of the Yangtse River. Chemosphere, 2000, 41:901-905.4 A.T. Martinez. Molecular biology and structure-function of lignin-degrading heme peroxidasesJ. Enzyme andMicrobial Technology，2002，30(4)：425444.5Martinez A T. Molecular biology and structure-function of lignin-degrading heme peroxidases. Enzyme andMicrobial Technology，2002，30(4)：425444.6 Xu F J，Chen H Z，Li Z H. Solid-state production of lignin peroxidase(LiP) and manganese peroxidase(MnP)by Phanerochaete chrysosporium using steam-exploded straw as substrate. Bioresource Technology，2001，80：149151.7 程树培，张徐祥，石磊等. Fhhh 工程菌株降解 PTA 废水动力学研究J. 环境科学，2003，24（6）：116120.8 沈评，范秀容，李广武. 微生物学实验. 北京：高等教育出版社，2001，214222. 9于鑫，张晓键，王占生.饮用水生物处理中生物量的脂磷法测定J.城市给水排水，2002，28（5）：1-6 10 APHA, AWWA, WPCF. Standard methods for the examination of water and wastewater, 18th edition，Washington D.C., American Public Health Association，1992，444-453.Advanced Treatment of PAHs in Source of Drinking Water from Yangtze River with IKPF StrainsZhang Yan 2, Wu Bing 2, Zhang Xuxiang 2, Li Mei 2, Cui Yibin 2, Gu Jidong 3, ChengShupei 1,2*1. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Nanjing, P.R. China (210093)2. School of the Environment, Nanjing University, Nanjing, P.R. China (210093)3. School of Life Sciences, the University of Hong Kong, SAR, P.R. ChinaAbstractThere were 3 biofilters constructed with the functional strains of Xhhh and Fhhh and the native strain NJ for the advanced treatment of PAHs in the source of dinking water from Yangtze River. The results show that the specific degradation rates of PAHs with strains of NJ, Xhhh and Fhhh were 0.055d-1,0.043d-1 and 0.098d-1 respectively. The specific degradation rate of strain Fhhh is 78% higher than that of the native strain NJ, and that of the strain Xhhh was the lowest. Data suggest that the functionalstrain Fhhh has the potentials for degradation of PAHs and enhancing the safety of drinking water.Keywords: source of dinking water; POPs; advanced treatment; functional strain; biofilter作者简介:张宴，1985 年出生江苏，南京大学在读研究生，环境生物技术方向；程树培，1947 年出生江苏，南京大学环境学院教授博导，环境健康与环境生物技术方向。