張潔娜, 王景偉, 顧衛(wèi)華, 黃 慶, 李英順,莊緒寧,趙 靜,張承龍,白建峰

(1.上海第二工業(yè)大學(xué) 電子廢棄物研究中心,上海201209;2.上海新金橋環(huán)保有限公司,上海201201;3.上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,上海201209)

0　引言

電子廢棄物數(shù)量迅速增多具有雙重效應(yīng)。一方面由于其具有資源化特性,含有可回收利用的金屬(銅)、貴金屬(金、銀)、塑料和玻璃,另一方面電子廢棄物的不當(dāng)拆解又會帶來污染,產(chǎn)生大量的有毒有害物質(zhì),如金屬與金屬化合物(鉛、汞、鎘、鉻、鋇、鈹)及一些持久性有機污染物(persistent organic pollutants,POPs),如多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、溴代阻燃劑、多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)、酞酸酯等。微生物降解是消除土壤中重金屬和POPs的環(huán)境友好方式。目前關(guān)于微生物法處理電子廢棄物中重金屬的綜述相對較多,而針對微生物法處理電子廢棄物中POPs的綜述鮮有報道。

電子廢棄物處理過程中產(chǎn)生的典型POPs由于其難降解性會使其長期殘留在環(huán)境中,最終危害人體健康。電子廢棄物燃燒和填埋會產(chǎn)生PAHs,由于其低水溶性,易吸附在固體顆粒和有機腐殖質(zhì)上,廣泛存在于土壤、沉積物、地下水和大氣中,且化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,長期存在于環(huán)境中,屬于處理過程中的二次污染物。鄰苯二甲酸酯類(phthalic acid esters,PAEs)是近年來產(chǎn)量最大、用量最多的增塑劑,廣泛用于橡膠、塑料、香料等行業(yè)[1-2]。因而也被廣泛用作電子廢棄物中的塑料增塑劑,PAEs增塑劑應(yīng)用最多的是酞酸二異辛酯(DEHP),其次是酞酸二酯。PCBs由于其具有良好的絕緣性、抗熱性和化學(xué)穩(wěn)定性,被廣泛用做電子產(chǎn)品中的蓄電池、變壓器、電力電容器的絕緣散熱介質(zhì)。PCBs難溶于水,主要被土壤、污泥及沉積物中的有機物吸附[3]。多溴聯(lián)苯醚(polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)因其阻燃效率高、熱穩(wěn)定性好以及對材料性能影響小,自上世紀(jì)60年代以來作為一種添加型阻燃劑被廣泛地應(yīng)用于電子電器產(chǎn)品中[4]。PBDEs缺乏化學(xué)鍵的束縛作用,因此添加于電子電器產(chǎn)品中的PBDEs很容易通過揮發(fā)、滲出等方式進入環(huán)境[5]。多溴聯(lián)苯(polybrominated biphenyls,PBBs)也是一類曾被廣泛使用的溴代阻燃劑,屬于添加型阻燃劑,以物理方法添加,而非化學(xué)鍵合,因此可以通過滲出等方式釋放到外界環(huán)境中,隨著生物鏈在生物體內(nèi)富集和放大,并且具有長距離遷移的能力,對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的有害影響[6]。

因此,本文綜述了電子廢棄物處理過程中產(chǎn)生的典型 POPs,包括 PAHs、PAEs、PCBs、PBDEs和PBBs的高效降解菌株培養(yǎng)分離及應(yīng)用現(xiàn)狀的研究概況,以期對POPs污染環(huán)境的修復(fù)治理產(chǎn)生一定的科學(xué)價值和實際意義。

1　 PAHs的降解

1.1　降解菌種類

PAHs降解菌的種類主要包括細(xì)菌和真菌。PAHs生物降解的難易程度取決于其自身的分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度,且降解菌種數(shù)目隨PAHs分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度的上升而減少。PAHs微生物降解多以好氧降解為主。

目前,研究較多修復(fù)PAHs污染土壤的菌種多集中在細(xì)菌和真菌[7],已發(fā)現(xiàn)的能降解PAHs的廣譜性細(xì)菌主要包括假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)、分枝桿菌屬(Mycobacterium sp.)、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas sp.);能降解PAHs的廣譜性真菌主要包括曲霉屬(Aspergillus sp.)、黃孢原毛平革菌屬(Phanerochaete chrysosporium sp.)白腐菌屬(Phlebiabrevispora sp.)等;真菌主要是通過共代謝的方式實現(xiàn)對PAHs的最終礦化,主要包括真菌與細(xì)菌的協(xié)同作用,一方面原因可能是真菌作用于PAHs的產(chǎn)物水溶性增加,以及真菌的菌絲體傳輸作用,從而提高細(xì)菌對PAHs的礦化[8]。此外,細(xì)菌也可間接提高PAHs的降解效率,通過自身釋放的生長因子促進真菌菌根的生長從而提高對PAHs的降解。其次,還包括真菌與植物的協(xié)同作用,主要發(fā)揮作用的是球囊菌門真菌與植物根系形成的叢枝菌根共生體[9]。與細(xì)菌相比,真菌能降解PAHs的種類雖然不多,但真菌降解PAHs的效率通常高于細(xì)菌,尤其在高環(huán)PAHs的降解方面表現(xiàn)較為突出。

1.2　菌株降解PAHs的能力與過程分析

近年來,陳紅云等[10]從受PAHs污染的臺州市路橋固廢拆解場污染土壤中用經(jīng)過腐植酸(HA)吸附的PAHs分離培養(yǎng)出1株高效降解菌株Tzyx3,經(jīng)過形態(tài)學(xué)鑒定、生理生化及分子生物學(xué)鑒定其為解脂耶氏酵母菌(Yarrowia lipolytica);并以HA溶液為吸附劑與高效菌株制成生物修復(fù)劑,對萘、菲、芘、熒蒽、苯并蒽、苯并芘進行降解,15 d后,萘、菲、芘、熒蒽、苯并蒽、苯并芘的降解率分別為90.7%、91.0%、74.7%、86.9%、84.7%和74.7%。由此可見,HA可協(xié)作Tzyx對污染土壤中PAHs的降解,且對菲的降解率最高。蔡瀚等[11]從廣東省貴嶼鎮(zhèn)電子垃圾拆解地長期受PAHs污染的河涌中分離篩選出1株短短芽胞桿菌(Brevibacillus brevis,B brevis),在最適生長條件下,pH為7,溫度25?C,投菌量1 g/L,培養(yǎng)7 d,并以苯并[a]芘作為唯一碳源和能源,能使1 mg/L BaP的降解率達(dá)到51.35%,屬于BaP高效降解菌。

日前,土壤中的高環(huán)PAHs污染日趨嚴(yán)重,在篩選出高效PAHs降解菌的同時,深入研究高環(huán)PAHs降解菌的降解機理及其與土壤顆粒之間的相互作用機理顯得尤為迫切。由于土壤中土著微生物的復(fù)雜性,將高效純種降解菌大面積接種于PAHs污染場地進行實地修復(fù)的相關(guān)報道較少,探索土著微生物和外源高效降解菌之間的相互關(guān)系,以使外源高效降解菌充分發(fā)揮其對土壤中的PAHs的降解,來應(yīng)對復(fù)雜多變的復(fù)合PAHs環(huán)境污染。

2　PAEs化合物的降解

2.1　降解菌種類

PAEs的微生物降解效果既受微生物種類、數(shù)量、PAEs的初始濃度、分子量和化學(xué)結(jié)構(gòu)影響外,還受營養(yǎng)鹽等影響[12]。PAEs的生物降解率較低,其生物降解性隨烷基鏈含碳數(shù)的增加和分枝側(cè)鏈的增加而降低。PAEs可以被大量的細(xì)菌降解[13]。

電子廢棄物中常用的塑料種類為聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(HIPS)及混合塑料(PC/ABS)等。且塑料中所含的工業(yè)用增塑劑,一般為鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)。

目前已報道的PAEs降解菌主要有Pseudomonas sp.、Mycobacterium sp.、芽孢桿菌屬 (Bacillus sp.)、諾卡氏菌屬 (Nocardia sp.)、紅球菌屬(Rhodococcus sp.)、寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas sp.)和戈登氏菌屬(Gordonia sp.)等。

2.2　菌株降解PAEs的能力與過程分析

目前,廣泛使用的PAEs已普遍存在于土壤、底泥、水體、生物、空氣及大氣降塵物等環(huán)境中,嚴(yán)重污染環(huán)境土壤。嚴(yán)佳麗等[14]從武漢市長期受生活污水及PVC材料污染的南湖底泥中分離篩選得到1株能以DEHP為唯一碳源和能源生長的菌株Gordonia sp.,并將其命名為HS-NH1。探索其最適的生長條件和降解條件,在溫度為30?C、pH 7.0,60 h內(nèi)能將濃度500 mg/L的DEHP降解90%以上。分析其降解機理,認(rèn)為菌株HS-NH1在降解DEHP的過程中產(chǎn)生了一種中間代謝產(chǎn)物——鄰苯二甲酸。金雷等[15]從長期受塑料垃圾污染的土壤中通過富集、分離純化得到1株DBP高效降解菌類芽孢桿菌屬(Paenibacillus sp.),將其命名為H-2。探索了菌株H-2的最佳降解條件,在溫度為30?C,pH7.0的降解條件下,3 d內(nèi)對100 mg/L DBP的降解率高達(dá)87.6%,且H-2可降解短鏈鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二乙酯和DBP,而對于長鏈鄰苯二甲酸二辛酯的降解效果相對較差。金德才等[16]從PAEs污染土壤中分離篩選到1株能夠以PAEs為唯一碳源和能源生長的菌株Rhodococcus sp.,命名為JDC-11,其最佳降解條件是溫度30?C、pH 8.0、轉(zhuǎn)速175 r/min,在此條件下,JDC-11能夠在24 h內(nèi)將1 g/L DBP完全降解,由此證明JDC-11是1株DBP高效降解菌。高俊賢等[17]從鎮(zhèn)江某垃圾站污染土壤中分離篩選出1株能夠以DBP為唯一碳源和能源生長的細(xì)菌高效降解菌變形假單胞菌(Pseudomonas plecoglossicida),將其命名為TM。并采用單因素和正交實驗對TM菌株的降解條件進行優(yōu)化,最終的優(yōu)化結(jié)果為,TM的最適生長溫度為30?C,最適pH為7.0,在最適降解條件下,在72 h內(nèi)對400 mg/L DBP的降解率達(dá)到88.56%,由此可證明此菌株對PAEs能高效降解。

近年來,研究學(xué)者從污染地中分離、純化得到了大量具有PAEs降解能力的菌株。然而,研究主要是進行單一底物的降解,而在多種污染物共存的環(huán)境中,通過混和菌群的構(gòu)建替代單一菌,探索其最適降解條件及其降解機理,從而實現(xiàn)PAHs的高效降解,是今后研究的主要方向。

3　 PCBs的降解

3.1　降解菌種類

PCBs在有氧條件下,分子結(jié)構(gòu)中低于5個氯原子的PCBs能夠被多種微生物氧化,并且隨著氯原子的逐漸增多,PCBs的持久性和難降解性逐漸增強。在厭氧條件下,9氯以上的PCBs能夠被厭氧微生物降解為低氯PCBs,但不能破壞苯環(huán)的結(jié)構(gòu),對于其降解十分不徹底。

目前,研究者篩選出的能降解PCBs的微生物主要包括細(xì)菌和真菌。細(xì)菌主要包括產(chǎn) Pseudomonas sp.、Sphingomonas sp.、堿桿菌屬(Alcaligenes sp.)、伯克霍爾德菌屬(Burkholderia sp.)、Bacillus sp.、無色桿菌屬 (Achromobacter sp.)、毛單胞菌屬(Comamonas sp.)、羅爾斯頓菌屬(Ralstonia sp.)和不動桿菌屬(Acinetobacter sp.)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus sp.)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium sp.)、Rhodococcus sp.、節(jié)桿菌屬 (Arthrobacter sp.) 等[18-19]。真菌主要包括Phanerochaete chrysosporium sp.、Phlebiabrevispora sp.、黑曲霉屬(Aspergillusniger sp.)、平革菌屬 (Phanerochaete sp.)、金孢屬 (Chrysosporium sp.)、蠔側(cè)耳屬 (Pleurotusostreatus sp.)、黃曲霉屬(Aspergillusfl avus sp.)和釀酒酵母屬(Saccharomyces cerevisiae sp.)等均可降解PCBs。

3.2　菌株降解PCBs的能力與過程分析

近年來,研究者崔靜嵐[20]將臺州某地區(qū)典型PCBs污染土壤和河流底泥等作為篩選源,由于許多PCBs好氧降解菌主要是以聯(lián)苯作為生長底物共代謝降解PCBs的,直接以PCBs作為碳源和能源的降解菌很少。因此,研究者先以聯(lián)苯作為唯一碳源篩選出聯(lián)苯降解菌,然后再探索聯(lián)苯降解菌對PCBs的降解能力,先后馴化富集得到一種混合培養(yǎng)體BP-Y和分離篩選出1株P(guān)CBs降解菌,并將其命名為HC3。利用HC3和混合培養(yǎng)體BP-Y分別在實驗室和實際土壤中的PCBs進行降解,在實驗室模擬降解實驗中,菌株HC3和混合培養(yǎng)體BP-Y對PCBs總量5 d的降解率為28.1%和29.1%,10 d的降解率為45.4%和59.2%,降解效果非常顯著。而在實際土壤PCBs降解實驗中,菌株HC3和混合培養(yǎng)體BP-Y對PCBs總量5 d的降解率為16.8%和12.6%,10 d的降解率為21.3%和28.7%,與無菌添加的對照組相比有一定的降解效果,但與實驗室模擬降解實驗的降解效率相比,實際土壤PCBs降解實驗的修復(fù)效率小于實驗室降解效率的50%,表明在實際應(yīng)用中環(huán)境因素和規(guī)模擴大化會影響PCBs的降解效率。張娟[21]從浙江臺州受電子廢棄物污染土壤中采用富集培養(yǎng)和平板劃線分離的方法分離篩選得到了1株降解能力較高的菌株紐倫堡潘多拉菌(Pando-raeanorimbergensis),并將其命名為A1,探索該菌株的最佳降解條件,在pH=7,溫度30?C,初始底物濃度150 mg/L,裝液量為250 mL三角燒瓶中裝30 mL,培養(yǎng)時間7 d時,對PCBs的降解效果最好。并運用共面PCBs試劑盒測得其降解率為25%。方麗等[22]從廢舊變壓器周圍的土樣中分離篩選出1株P(guān)CBs降解菌,其為枯草桿菌(Bacillus subtilis),編號為WF1,該菌株能以聯(lián)苯作為唯一的碳源生長。其最佳產(chǎn)酶條件為溫度35?C、pH 7.0、250 mL三角燒瓶中裝液量100 mL以下、接種量4%、PCBs初始濃度0.2 mg/L,150 r/min下振蕩培養(yǎng)3 d。最佳酶促反應(yīng)條件為溫度35?C、pH 7.5。唐偉[23]從浙江蕭山區(qū)某變電站含PCBs的廢舊變壓器儲藏地覆土中篩選出能以PBBs為唯一碳源和能源的大量微生物,16SrRNA測序結(jié)果鑒定出這些微生物分別屬于13個菌屬,已有多數(shù)菌屬被證明過有降解PCBs的能力。該研究者以Bacillus sp.T29和Corynebacterium sp.W5作為研究對象,均可與聯(lián)苯共代謝降解PCB61;還研究了重金屬Cr和Cu對降解菌生長的影響,發(fā)現(xiàn)重金屬Cr和Cu可能會抑制降解菌的生長,從而影響PCBs的降解,因此得出結(jié)論,在利用降解菌修復(fù)土壤PCBs時,為了達(dá)到更理想的降解效果,應(yīng)當(dāng)先控制土壤中Cr和Cu的濃度。

雖然已經(jīng)篩選出大量降解菌降解PCBs,但大多都處于實驗室階段,這是由于許多微生物在實驗室中的降解率很高,但在實際應(yīng)用過程中降解率則降低,在實際的自然環(huán)境中,由于降解溫度、降解pH等條件不容易控制,導(dǎo)致降解菌不能在最佳降解條件下使PCBs的降解率達(dá)到最高。因此,降解菌對污染物的降解從實驗室階段過渡到實際生產(chǎn)中是未來研究的一個熱點。

4　 PBDEs、PBBs的降解

4.1　降解菌的種類

PBDEs是一類重要的溴代阻燃劑,工業(yè)用PBDEs主要包括五溴聯(lián)苯醚(PeBDE)、八溴聯(lián)苯醚(OcBDE)和十溴聯(lián)苯醚(BDE-209),其中BDE-209應(yīng)用最為廣泛。目前對于降解PBDEs的微生物研究并不多見,僅有少數(shù)微生物發(fā)現(xiàn)能降解PBDEs。分離出的降解PBDEs的微生物有Bacillus sp.,Pseudomonas sp.和 Sphingomonas sp.細(xì)菌[24]。

4.2　菌株降解PBDEs的能力與過程分析

近年來,趙宇[25]從廣東貴嶼鎮(zhèn)電子垃圾拆解地采集的沉積物樣品中分離出1株BDE-209高效降解菌B.brevis。B.brevis的最適降解pH為7,投菌量3.0 g/L,溫度30?C,最佳菌齡為36 h,最佳氮源為(NH4)2SO4,5 d后,對1.0 mg/L BDE-209的降解率可達(dá)54.38%,并研究了B.brevis的耐受性,研究表明,B.brevis對Cu2+、Cd2+有較好的耐受性,但Cu2+和Cd2+會影響其對BDE-209的降解,當(dāng)Cu2+濃度在1.0～5.0 mg/L、Cd2+濃度在0.3～0.5 mg/L范圍內(nèi)時,B.brevis對BDE-209的降解均可達(dá)50%以上。王繼華等[26]從浙江臺州路橋區(qū)電子垃圾拆解場地的土壤中通過污染物質(zhì)量濃度梯度馴化法、最大污染物質(zhì)量濃度馴化法及外加碳源輔助馴化法,采用3種方法整體馴化之后進行菌株的分離,分別得到7、3和11株降解菌株,先分離菌株,再采用3種方法逐級馴化共得到能在以BDE-47為唯一碳源的培養(yǎng)基中生長的14株,為馴化最優(yōu)組合,且經(jīng)形態(tài)學(xué)觀察及生理生化鑒定可知,先馴化再得分離到的菌株,均可在上述14株中找到相對應(yīng)菌株。先分離再馴化的方法可以全面、系統(tǒng)地將降解菌分離純化出來,但該方法所用時間較長,工作量大。先馴化再進行降解菌的分離純化,雖然得到的降解菌株相對較少,但其降解能力比先分離后馴化所得到的菌株有所提高,且利用該法能分離篩選得到降解菌群,而降解菌群的降解能力相較于單菌株降解能力則大大提高。陳桂蘭等[27]利用電子垃圾污染河床沉積物為種源富集馴化獲得的菌群Cf3,同樣具有較高的BDE-209降解率,其降解率可達(dá)80%,菌群Cf3被證明是高效降解菌群。

目前,多集中在PBDEs單一底物降解菌的分離、篩選、鑒定等方面,但是單一菌種降解底物單一,未來應(yīng)多聚焦于混合菌株對PBDEs的高效降解,為PBDEs污染環(huán)境的修復(fù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

4.3　PBBs的降解

2009年5月,瑞士日內(nèi)瓦舉行的《關(guān)于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》締約方大會第四次會議決定將六溴聯(lián)苯等物質(zhì)新增列入公約的受控范圍。目前為止,有關(guān)降解PBBs的高效菌株的報道幾乎沒有。由于PBBs也是一類曾被廣泛使用在電子產(chǎn)品中的一種添加型阻燃劑,研究者后續(xù)應(yīng)致力于PBBs降解菌的篩選。

5　結(jié)論與展望

5.1　結(jié)論

目前研究主要集中于污水處理廠的活性淤泥、石油污染土壤及焦化工業(yè)場地土壤中POPs降解菌株的分離和篩選研究,而對于電子廢棄物拆解場地POPs降解菌株的研究較少。隨著電子廢棄物的日益增多,未來研究應(yīng)多聚焦于電子廢棄物所造成的環(huán)境污染,尤其是POPs的降解。微生物降解是目前最行之有效的有機物降解途徑,且無二次污染。

5.2　展望

(1)建立一個有關(guān)電子廢棄物污染物的高效菌種庫,保存現(xiàn)有的菌種,然后不斷開發(fā)新的高效降解菌以擴充高效菌種庫,使得電子廢棄物得到有效的降解。

(2)為提高微生物在實際電子廢棄物污染土壤環(huán)境中的應(yīng)用,應(yīng)篩選獲得一些多功能高效降解菌或者探索混合菌種對電子廢棄物中POPs的降解最優(yōu)條件及其降解機理,以便更有效地降解電子廢棄物中的POPs。

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