袁琳嫣

上海質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 （上海 201114）

節(jié)能環(huán)保

活性包埋菌對室內(nèi)空氣中甲醛和苯系物的凈化應(yīng)用研究

袁琳嫣

上海質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 （上海 201114）

甲醛和苯系物是室內(nèi)空氣主要污染物，對人體有致癌作用，嚴(yán)重危害人體健康。主要研究了活性包埋菌對室內(nèi)空氣中甲醛和苯系物的凈化性能。選用兩種不同的活性包埋菌，對其表面官能團、表面形貌進行了表征。采用液相衍生、氣相頂空的方法評估了其對甲醛和苯系物的吸附降解性能。結(jié)果表明，活性包埋菌對甲醛和苯系物的降解能力主要取決于載體對包埋菌的生物相容性、載體親水性及對污染物的生物耐受性。此外，在凈化前期要充分馴化活性包埋菌，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。

活性包埋菌 室內(nèi)空氣凈化 甲醛 苯系物

20世紀(jì)70年代全球能源危機爆發(fā)以后，部分發(fā)達(dá)國家率先提出了室內(nèi)空氣質(zhì)量的理念。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和節(jié)能要求的提高，裝潢和家具造成的室內(nèi)污染持續(xù)劇增,房屋封閉性的提升使空氣難以流通，從而導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染物致使人員中毒的惡性事件頻頻出現(xiàn)[1-3]。

室內(nèi)空氣污染物主要來自于室內(nèi)的建材和家具，家用燃?xì)獾牟煌耆紵?、吸煙等人類生活中伴隨而生的空氣污染物和室外空氣中的侵入污染物。無機氣態(tài)污染物（如二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等）對于人體健康的危害多半在呼吸器官（如肺），但是無累計性；而室內(nèi)甲醛、苯系物等有機物污染對人體有致癌作用，嚴(yán)重危害人體健康。

隨著生物材料的日益發(fā)展，固定化包埋菌作為生物強化手段在降解室內(nèi)空氣污染物方面具有如下幾點優(yōu)勢：包埋細(xì)菌密度大，流失少,處理效率高，產(chǎn)物易分離、反應(yīng)過程易控制，能夠連續(xù)和重復(fù)使用以及外界條件變化對包埋菌影響小等。這些特點決定了固定化包埋菌是一種高效低耗、結(jié)構(gòu)緊湊，運轉(zhuǎn)管理方便和發(fā)展前景廣闊的空氣凈化處理固定化生物技術(shù)[4]。

微生物吸附凈化污染物的原理為：有機污染物被微生物吞噬之后，通過其新陳代謝作用被分解，為其維持穩(wěn)定的生命活動提供所需營養(yǎng)[5]；污染物被轉(zhuǎn)化之后，還可以合成新的原生質(zhì)（或稱細(xì)胞質(zhì)）的組成成分，促進微生物本身生長繁殖，避免了物理吸附飽和問題，能夠長期循環(huán)使用。固定化微生物大多應(yīng)用于水污染處理，如采用聚乙烯醇和活性炭復(fù)合材料制成的固定化污泥處理含酚廢水，進水酚含量達(dá)250 mg/L時，凈化率達(dá)到99.8%，處理后的廢水可達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。

目前，活性包埋菌主要用于凈化氨、氮、苯酚含量高的污染水源。在空氣凈化方面，對揮發(fā)性有機物甲醛和苯系物的凈化性能研究未見報道。未來可以結(jié)合各自優(yōu)勢研究開發(fā)生物復(fù)合材料來解決室內(nèi)環(huán)境污染問題。

1 實驗材料

1.1 活性包埋菌的制備

取某污水處理廠的活性淤泥作為包埋菌的菌種源，將其置于離心機上，以5500 r/min的轉(zhuǎn)速濃縮，舍棄清夜，所得濃縮污泥待用。濃縮后的污泥呈褐色粘稠狀，并帶刺激性氣味。采用不同的聚丙烯酰胺類材料［聚丙烯酰胺（PAM）＋甲基聚丙烯酸酯（PMMA）］為主要的包埋材料，將其溶解在水中（120 mg/mL），加入活性淤泥（40 mg/mL），充分?jǐn)嚢杈鶆?；向混勻好的混合物中加入一定量的交?lián)劑N，N－亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）（8 mg/mL），光引發(fā)劑及磷酸緩沖鹽（pH=7.4）；充分混勻后，在紫外燈光源下照射4 min，固化放置一天。完全反應(yīng)后，流動狀的液體轉(zhuǎn)變?yōu)轸~凍膠狀，潤滑且有彈性。將固定化的活性淤泥分割成邊長為3 mm的立方體，用流水將其漂洗干凈。1#載體呈乳白色，2#載體呈淺褐色。

1#包埋菌載體帶有更多的甲基（—CH3），甲基具有疏水性和一定的剛性，對于長鏈聚合物的自由旋轉(zhuǎn)有一定的空間位阻效應(yīng)，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶脹受阻，聚合物載體的水合作用變差。另外，1#載體有更多的酯基，酯基屬于非離子型親水基團，幾乎不發(fā)生電離，合成的聚合物鏈與鏈之間的相互作用較弱，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膨脹小，導(dǎo)致可容納水分的空間小。因此，1#載體的親水性和生物相容性一般。而2#包埋菌載體帶有更多的親水基團羧基（—COOH），其在水中呈離子（COOH-）狀態(tài)，負(fù)離子之間的排斥作用使聚合物載體溶脹，可容納水分的空間變大，故2#載體的親水性和生物相容性較好。

水是固定化包埋菌進行生物化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)，固定化包埋菌的增長需要各種豐富的養(yǎng)分，但唯有水能被包埋菌菌體內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)膜所接受，在細(xì)胞內(nèi)進行合成和基礎(chǔ)代謝。包埋菌所含有的水既有“鍵合”水，又有“中間水”，還有大量“自由水”[7]。

1.2 活性包埋菌的馴化

1.2.1 甲醛水溶液的馴化

制備好的包埋菌均無刺激性氣味，都能沉淀在容器底部，有很好的分離沉淀性能。以10%（體積分?jǐn)?shù)）的填充率將包埋菌放入250 mL圓底燒杯中，將氧氣管伸入燒杯底部進行曝氣，使包埋菌能在燒杯中流化。加入250 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 μg/g的甲醛水溶液進行室溫馴化。馴化初期，由于活性包埋菌降解甲醛的能力較弱，需2～3 d換一次水（100 μg/g的甲醛水溶液）；馴化中期，隨著處理效果的提升，可以每天換水，每次換水前需將所用容器和曝氣管清洗干凈。

馴化5 d天后，每天換水加入100 μg/g甲醛水溶液250 mL，第二天取樣采集數(shù)據(jù)。期間，通過一定的時間間隔進行采樣，分析監(jiān)測燒杯內(nèi)甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，從而確定包埋菌的馴化狀態(tài)?；钚园窬瓿稍?00 μg/g甲醛水溶液中的馴化后，按上述方法繼續(xù)進行250 μg/g甲醛水溶液和500 μg/g甲醛水溶液的馴化。

1.2.2 苯系物水溶液的馴化

用同樣的方法，在100 μg/g的苯系物水溶液中進行活性包埋菌的馴化，直到活性包埋菌體系運行穩(wěn)定，苯系物殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化，則認(rèn)為可進行下一步的性能測試實驗。

1.2.3 兩種污染物（甲醛和苯系物水溶液）的馴化

將已接受甲醛馴化（一個月）的兩種包埋菌繼續(xù)進行苯系物的馴化（一個月），馴化過程和馴化完成節(jié)點參照甲醛和苯系物的單一馴化。

2 實驗與方法

2.1 實驗儀器和試劑

Haake MarsIII流變儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；VarioMICROcube元素分析儀，Elementar公司；Axio光學(xué)顯微鏡，卡爾蔡司光學(xué)（中國）有限公司；XS205電子天平，梅特勒-托利多公司；6890N氣相色譜儀（配氫火焰離子化檢測器）、7697頂空進樣器、1100高效液相色譜儀，安捷倫科技（中國）有限公司。

甲醛、2,4－二硝基苯肼，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；磷酸，色譜純，F(xiàn)luka公司；水、乙腈、丙酮、二甲苯、甲苯，色譜純，J.T.Baker公司，甲醛－DNPH標(biāo)準(zhǔn)品（1.0 mg/mL），Supelco公司。

2.2 分析方法

用高倍顯微鏡觀察馴化前后兩種不同載體活性包埋菌的微觀結(jié)構(gòu)。

利用高效液相色譜監(jiān)測活性包埋菌對空氣中甲醛的凈化性能。色譜柱：Alltima C18柱（4.6 mm× 250 mm×5 μm）；流動相：溶劑A為水，溶劑B為乙腈；梯度洗脫參數(shù)：0～6 min，60%B，12 min 100%B（保持4 min）；檢測波長：365 nm；進樣量：20 μL；流速：1.2 mL/min；柱溫：30℃。

利用頂空氣相色譜檢測活性包埋菌對空氣中苯系物的凈化性能。色譜柱：HP-5彈性石英毛細(xì)管柱（30 mm×0.32 mm×0.25 μm）；進樣口溫度：250℃；氫焰離子化檢測器（FID）檢測室溫度：280℃；升溫程序：80℃（5℃/min）→260℃(10℃/min）→280℃（2min）；載氣（高級氮）壓力：15 kPa；進樣方式：分流（5∶1）模式，1.0 mL/min。

自動頂空條件：選用1 mL頂空空氣密針；頂空瓶加熱器溫度為90℃；樣品環(huán)溫度為130℃；傳輸管線溫度為150℃；平衡時間：15，30，60 min。

稱取約2 g不同載體的活性包埋菌1#和2#，分別放在20 mL頂空瓶中，然后立刻用聚四氟乙烯銀色鋁蓋密封壓緊（模擬封閉的室內(nèi)環(huán)境）。以甲醛和苯系物的殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)來衡量包埋菌的凈化能力。

3 結(jié)果與討論

3.1 活性包埋菌的微觀結(jié)構(gòu)

利用高倍光學(xué)顯微鏡觀察1#，2#包埋菌分別在100，250，500 μg/g甲醛水溶液中馴化后的形貌，結(jié)果如圖1、圖2所示。從圖中可以看出，經(jīng)過馴化后，包埋菌體內(nèi)細(xì)菌密度大幅度提高，細(xì)菌的凸起增大，體積變大。2#包埋菌有更多的大小不同的孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)里有許多大小不一、不同形狀的細(xì)菌。營養(yǎng)物質(zhì)被牢牢鎖在孔隙中，并能夠防御水動力的襲擊，非常有助于包埋菌生存。此外，2#活性包埋菌有許多比較明顯的突起，說明細(xì)菌與包埋載體結(jié)合得更好，菌體密度高、耐受力強。

圖1 1#包埋菌在不同甲醛水溶液中馴化后的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 2#包埋菌在不同甲醛水溶液中馴化后的微觀結(jié)構(gòu)

3.2 活性包埋菌的馴化成果

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在100 μg/g的甲醛水溶液中馴化12 h后，甲醛的去除率才能達(dá)到90%以上；在250和500 μg/g甲醛水溶液中馴化12 h后，甲醛去除率才能達(dá)到80%左右。由于實驗所用包埋菌在進入馴化期之前，載體內(nèi)部能夠降解甲醛的細(xì)菌量少，處理甲醛的能力低，所以實驗前需要進行馴化。因為包埋菌只有在充足的氧含量和相應(yīng)的營養(yǎng)物質(zhì)下才能進行生長繁殖，使活性和凈化效率達(dá)到最佳效果。馴化使微生物的數(shù)量不斷增加，從質(zhì)和量兩個角度縮短達(dá)到理想凈化效果的過程。馴化48 h后，活性包埋菌在不同甲醛水溶液中去除甲醛的能力都能達(dá)到98%。馴化后的活性包埋菌對甲醛水溶液已經(jīng)具有耐受性，可以嘗試在離開充足的氧含量和水的情況下，考察其對甲醛和苯系物氣體的凈化性能。

3.3 兩種不同活性包埋菌對空氣中甲醛的凈化效果

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，甲醛質(zhì)量濃度較低時，視為室溫下瞬時完全氣化成甲醛氣體，2 h后，2#包埋菌對甲醛氣體的去除率大于1#包埋菌；由于生物代謝需要一定的時間，因而可持續(xù)降解甲醛。

從圖5可以看出，在80 mg/mL甲醛空氣中，2 h內(nèi)甲醛氣化并不充分。1 d以后活性包埋菌降解甲醛的能力依次為：1#受兩種污染物馴化＞2#受單一甲醛的馴化＞2#受兩種污染物馴化＞1#受單一甲醛的馴化；對于甲醛馴化活性包埋菌來說，2#包埋菌凈化效果優(yōu)于1#包埋菌；對于兩種污染物馴化活性包埋菌來說：1#包埋菌的耐受性優(yōu)于2#包埋菌。

2#活性包埋菌載體生物相容性好，機械強度高、不易碎，對微生物細(xì)胞無毒，具有極好的流變學(xué)性能和優(yōu)良的傳質(zhì)性能。載體中含有羧基等弱酸性官能團，可促進對極性分子的吸附。與此同時，載體空間內(nèi)孔隙度較大，既能對微生物細(xì)胞起到保護作用，承受不斷增殖的細(xì)胞，使細(xì)菌利用水中的污染物不斷進行繁殖，又可提供菌體代謝的最佳轉(zhuǎn)運途徑。1#活性包埋菌載體生物相容性較差，機械強度低，易碎，使用壽命短；載體凝膠過分致密，增加了載體基質(zhì)和產(chǎn)物的傳質(zhì)阻力；水合作用也相對比較差，導(dǎo)致在馴化和凈化處理甲醛時均受到相應(yīng)影響。

將同時接受兩種污染物馴化的包埋菌進行對比，2#包埋菌接受兩種污染物馴化后降解甲醛的性能變差，可能是因為苯系物不親水，而2#包埋菌材料親水性更好，所以產(chǎn)生傳質(zhì)阻力，從而影響了對甲醛的降解。也可能是因為2#包埋菌有較強的選擇能力，比較適合處理單一污染物。

3.4 兩種不同的活性包埋菌對苯系物的凈化效果

采用2種活性包埋菌對1 μg苯系物氣體進行凈化，殘留含量如圖6所示。?

圖3 100 μg/g（a）、250 μg/g（b）、500 μg/g（c）甲醛水溶液凈化后殘留甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 活性包埋菌2 d內(nèi)對4 mg/mL*甲醛氣體的凈化效果

圖5 活性包埋菌7 d內(nèi)對80 mg/mL甲醛氣體的凈化效果

圖6 活性包埋菌對苯系物的降解效果

圖6表明，對于甲苯來說，2#活性包埋菌降解能力優(yōu)于1#活性包埋菌，而且隨著時間的延長，苯系物殘留量明顯降低。對于二甲苯來說，由于2#包埋菌接受兩種污染物的耐受性差，二甲苯包括鄰、間、對三種結(jié)構(gòu)，且其親水性比甲苯差，所以1#活性包埋菌降解能力優(yōu)于2#活性包埋菌。接受兩種污染物馴化的包埋菌，同樣也是1#包埋菌的凈化性能更高。相對于甲苯，活性包埋菌對于二甲苯的處理效果較差。這可能是二甲苯的生物降解性能更差（見表1）的緣故，但是，包埋菌本身沒有吸附降解飽和度，可以持久地發(fā)揮去除氣體中污染物的作用。

表1 苯系物在不同的氧化還原條件下的生物降解性

4 總結(jié)與展望

活性包埋菌通過新陳代謝作用能夠分解空氣中的有機物并代謝出抗氧化物質(zhì)，憑借彼此間的共生增殖及協(xié)同效應(yīng)保持微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其降解性能受載體制備的難易程度，是否對生物有毒害作用，與菌體的結(jié)合力，菌體活性在載體的保護下是否會受到損傷，活性包埋菌的環(huán)境適用性和穩(wěn)定性、傳質(zhì)性能以及對污染物的選擇性等影響。適合的載體可以將微生物細(xì)胞固定在載體之上，使其存留在揮發(fā)性氣體中的時間更長。載體的阻隔作用使微生物固定化后與底物的傳質(zhì)速率受到阻礙，所以當(dāng)包埋法處理的生物系統(tǒng)與有毒有害物質(zhì)接觸時，由于微生物細(xì)胞密度高，抵抗能力強，削弱了有毒有害物對微生物的沖擊，安全性大大增加。

固定化微生物空氣凈化技術(shù)是凈化室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機物和空氣中含氮、酸等異味源的最新研究方向。固定化微生物材料可以異味源和揮發(fā)性有機物為營養(yǎng)進行繁殖，長效去除異物和空氣中的有害物質(zhì)，且無二次污染，為利用微生物材料治理環(huán)境污染物奠定了基礎(chǔ)。

[1]LJ MAZUR,J KIM.Spectrumofnoninfectious health effects frommolds[J].Pediatrics,2006,118(6):1909-1926.

[2]J SHAHAM,Y BOMSTEIN,R GURVICH,et al.DNA-protein crosslinks and p53 protein expression in relation to occupational exposure to formaldehyde[J].Occupational and Environmental Medicine,2003,60(6):403-409.

[3]K R SMITH,J MSAMET,I ROMIEU,et al.Indoor air pollution in developing countries and acute lower respiratory infections in children[J].Thorax,2000,55(6):518-312.

[4]WANGJ L,QUANXC,HANLP,et al.Microbial degradation of quinoline by immobilized cells of Burkholderia pickettii[J].Water Research,2002,36(9):2288-2296.

[5]微生物在室內(nèi)環(huán)境污染治理中的應(yīng)用[EB/OL]. (2015-01-09)[2007-12-24].www.docin.com/p-10117086 919.html.

[6]LOZINSKY V I,PLIEVA F M.Poly(Vinyl alcohol)cryogels employed as matrices for cell immobilization.3.Overviewof recent research and developments[J].Enzyme and Microbial Technology,1998,23(3-4):227-242.

[7]喬向利,劉哲,劉志偉,等.光引發(fā)制備包埋菌對處理低濃度氨氮廢水的影響[J].化工進展,2009(28):163-168.

Purification of Formaldehyde and Benzene Compounds in Indoor Air by Active Immobilized Bacteria

Yuan Linyan

Formaldehyde and benzene compounds are the main pollutants in indoor air,which have carcinogenic effects on human body and seriously endanger people′s health.The purification of formaldehyde and benzene compounds in indoor air by active immobilized bacteria was studied.Two kinds of active immobilized bacteria were chosen,and their surface functional groups and surface morphology were characterized.The adsorption and degradation properties of formaldehyde and benzene compounds were evaluated by means of HPLC derived method and HS-GC test method.Results showed that the degradation ability of active immobilized bacteria to formaldehyde and benzene compounds mainly depended on the bio-compatibility between the carriers and active immobilized bacteria,carriers′hydro-philicity and the bacteria′s biological tolerance.In addition,thorough domesticate the active immobilized bacteria to the best state during the early stage of purification was a crucial factor.

Active immobilized bacteria;Indoor air purification;Formaldehyde;Benzene compounds

X5

2017年5月

袁琳嫣 女 1987年生 碩士 助理工程師 研究方向：材料