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菊酯类、杂环类农药废水细菌降解研究

论文类型 技术与工程 发表日期 2001-12-01
来源 第二届环境模拟与污染控制学术研讨会
作者 王军,刘宝章,任久长
摘要 王 军 刘宝章 任久长 北京大学环境科学中心 10087 课题背景   农药废水的治理是目前环保工作的难点之一。新型化学农药一拟除虫菊酯类、杂环类农药,化学结构复杂,合成步骤多,中间体繁杂,致使这两类农药废水成分极其复杂,含有大量有毒或难降解的有机化合物,以及CN-、Cl-、SO42-等无机盐,对 ...

王 军 刘宝章 任久长
北京大学环境科学中心 10087

课题背景

  农药废水的治理是目前环保工作的难点之一。新型化学农药一拟除虫菊酯类、杂环类农药,化学结构复杂,合成步骤多,中间体繁杂,致使这两类农药废水成分极其复杂,含有大量有毒或难降解的有机化合物,以及CN-、Cl-、SO42-等无机盐,对生物体毒害极大。在国外一般采用代价昂贵的、而且易造成二次污染的焚烧方法。在我国,这类农药的厂家大多建有生化处理装置,但目前几乎没有一家能够获得理想的处理效果。拟除虫菊酯类、杂环类农药低毒(对人畜)、高效、低残留量、环境相容性好,将逐渐取代有机磷农药。考虑到实际需要与将来应用前景,我们进行该类农药及其废水的微生物降解研究,并在南京第一农药厂进行现场试验。

研究方法

1、材料
  土壤样采自南京第一农药厂废水处理车间排水口附近的砂土,剔除杂草杂物。
  营养培养基:蛋白陈10g,牛肉膏5g,NaCl5g, 1000mLH2O中。pH值7.2。选择性培养基VK的无机盐溶液:K2HPO4 0.1g,MgSO4.7H2O 0.2g,(NH4)2SO4 0.1g,CaSO40.04g,FeSO4.7H2O 0.01g,1000MlH2O中。pH值7.2-7.4.综合有机废水取自南京第一农药厂集水池,有关性质见表1。

表1 有机废水的有关性质 COD(mg/L) BOD(mg/L) pH 盐度(%) CN-(mg/L) 1.0-2.0×104 2000-3000 10-12 4.0-6.0 30-40

  吡虫啉、哒螨灵、溴氰菊酯、甲氰菊酯、醚醛、咪唑烷等成品农药来自南京第一农药厂,商品级。苯、吡啶,市购,化学纯级。
2、试验步骤
  
降解菌的富集:取10g土样加到1000mLL富集培养基中,调整pH值7.2左右,置于恒温振荡器上,30℃,120rmp连续震荡培养48小时。移取10mL活性培养液于100mL选择培养基中,置于恒温振荡器上,30℃,120rmp连续振荡培养48小时。从上述活性菌液中挑取、一环在VK固体培养基上划线,连续培养数天直至平板上出现明显可见的菌落。
  液体转移培养:从平板上挑取单个菌落移入含10mL选择培养基(废水作为能源、碳源)的25mL小试管中,置于恒温振荡器上,30℃,120rmp连续震荡培养24小时。
  废水降解试验:以10% 的接种量,将上述单株苗的24小时活性培养液转移交原底水与VK无机盐溶液不同配比的培养基中(250锥形瓶),置于恒温振荡器上,30℃,120rmp连续底物利用试验:在100mLVK无机盐溶液中分别添加:苯5mL,,吡啶0.5mL,醚醛2.0mL,二氯1.0mL,咪唑烷50mg,吡虫啉100mg,哒螨灵100mg,制成琼脂培养基。接种培养48小时的活性菌液0.1mL于上述含有不同底物的平板上。
  HgCl2的抗性试验:在以废水作为能源的VK选择培养基中分别加入一定量的HgCl2,制成琼脂培养基。接种培养48小时的活性菌液0.1mL于上还含有不同浓度HgCl2的平板质粒检测:质粒提取、分离采用碱裂解法,用琼脂糖凝胶电泳检测质粒。

结果与讨论

1、分离菌株的部分生理生化性状
  通过富集、分离、纯化,最后筛选得到了3株能以有机废水作为唯一能源的降解菌株,其部分生理生化性状见表2。

表2 3株细菌的部分生理生化性状 菌株 需氧性 运动性 耐盐性(NaCl%) 对HgCl2的抗性(mg/L培养基) 1.0 5.0 10.0 15.0 20.0 W1 兼性 + 5.0 + - - - - W2 兼性 + <2.5 + + + + + W3 好氧   7.5 + - - - -

  菌株W1、W2呈现兼氧性,在有氧条件下生长活跃,但在厌氧或缺氧条件下仍然能够存活,这种属性对于我们进一步的SBR工艺是有利的。现场的有机废水盐度相当高(4-—6%),对微生物生长有一定的抑制作用,菌株的耐盐性能也是十分重要的。W2菌株对HgCl2具有相当高的耐受力。
2、单株菌的降解谱
  通过底物利用试验,考察了3株菌能够降解的化合物种类,见表3。

表3 3株菌对底物利用试验结果 菌株 苯 吡啶 咪啶烷 醚醛 溴氰 甲氰 吡虫啉 哒螨灵 二氯 W1 + + + - - - - - - W2 + + + - + + + + - Y3 + + + +     +   -

  3 株菌能降解的化合物种类是不同的。对于农药中间体的基本基团,如苯、吡啶、咪唑烷等,3株菌都能降解。通过观察菌落最先出现的时间、生长速度、大小,发现W1、Y3对废水的利用情况较好,而WZ能降解的化合物种类较多。

3、废水降解试验

3.1 单株菌降解能力
  W1、W2、Y3对不同浓度废水的降解结果见表4。

表4 单株菌降解废水能力对比(一周) 菌株 起始COD=1600-1700mg/L 起始COD=3000-3500mg/L 终止COD(mg/L) COD去除率(%) 终止COD(mg/L) COD去除率(%) W1 895 46.1 2010 35.8 W2 1200 27.8 3060 14.8 Y3 1190 30.1 2360 28.5

  可见,无论是在较低污染物浓度下(进水COD浓度1600-1700mg/L),还是在较高COD浓度条件下(进水COD浓度3000-3500mg/L),W1的降解效果均是最好的,Y3次之,W3对综合废水的降解能力较差,尤其是对高浓度的废水降解效果很弱。
3.2 混合菌降解试验
  
将3株菌的活性菌液按1:1:1的比例混合,接种到以废水为能源的体系中培养一定时间,荞得性质稳定的混合菌群。将这种混合菌培养至对数期,接种到不同浓度的废水体系中,使初始菌浓度达到2.0×108cells/mL,其降解效果列于表5。

表5 混合菌降解废水试验 时间(天) COD(mg/L) R(%) COD(mg/L) R(%) COD(mg/L) R(%) COD(mg/L) R(%) COD(mg/L) R(%) 0 1880   3220   6980   9520   11400   1 947 49.6 2110 34.4 5400 22.6 9020 5.3 11300 0.9 3 692 63.2 1190 63.0 3650 47.7 6970 26.8 8230 27.5 5 581 69.1 1170 63.7 3060 56.2 5720 39.9 7970 30.1 7 488 74.0 943 70.7 2320 66.8 4980 47.7 7430 34.8

  混合菌的降解能力远远超过单株菌,其对有机污染物的耐受程度也大大提高,即使废水COD浓度高达6980mg/L时,一周后的去除率也有66.8%。
3.3 细菌的“协同”效应
  
混合菌的降解能力远远超过单株菌。推测,这3株菌对废水中的有机污染物的降解反应是相互补充的。将每株菌己经作用至降解平衡(7d)的废水体系等体积混合,在恒温振荡器上继续作用一定时间,考察其COD变化。
  W1、W2、Y3菌液起始COD分别为1230、1580、1360mg/L,等体积混合后COD浓度为1330mg/L,其COD的变化情况见表6。

表6 单株菌“协同”降解效应 作用时间(天) COD(mg/L) COD去除率(%) 0 1330   1 1220 8.3 3 1090 18.0 5 1070 19.5 7 960 27.8

  不同菌液混合后,体系COD浓度继续下降,可见单株之间是具有“协同”作用的。对作用7d后的茵液平板划线,观察结果表明,出现菌落最多的是W1菌株,可见W1菌株成为该生态体系中的优势菌种(predominant bacteria)人关于“协同”作用机理详见别处。
3.4 降解性质粒
  
分离菌株的碱裂解一琼脂糖凝胶电泳检测结果见图1。

  结果表明,被检测的菌株均含有质粒,分子量大于1.5Kb。关于降解性质粒的稳定性、转移性、活性正在进一步的研究之中。
4、结论
  (1)直接以有机农药废水作为唯一能源和碳源,具有较大的选择压力,分离、筛选得到的降解菌对于废水的降解有着较大的活性。
  (2)单株菌的降解能力是十分有限的;由单株菌组成的混合菌的降解能力极大提高,单株菌对废水中污染物的降解反应是互补、具有”协同”效应的。
  (3)已经证明,降解有机污染物的酶系大多数由质粒基因编码,因此,下一步的研究重点之一是3株菌的降解性质粒,包括质粒的稳定性、转移性及其在废水体系中的转移、表达等规律。

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