劉 帥,邢志林,2,李 宸,張 浩,胡文慶,張麗杰,張?jiān)迫?趙天濤,2*

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典型污染物包覆層中氯仿的沿程生物轉(zhuǎn)化機(jī)制

劉 帥1,邢志林1,2,李 宸1,張 浩1,胡文慶1,張麗杰1,張?jiān)迫?,趙天濤1,2*

(1.重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 400054；2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶 400045)

為明晰氯仿(CF)在包覆層中的降解過(guò)程,構(gòu)建了模擬覆蓋層系統(tǒng)(SLCS),并結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)首次系統(tǒng)分析了CF在SLCS中的沿程生物轉(zhuǎn)化機(jī)制,結(jié)果表明,覆蓋層可根據(jù)氧氣含量分為有氧區(qū)(0~20cm)、缺氧區(qū)(20~40cm)和無(wú)氧區(qū)(>40cm).高通量測(cè)序分析表明,有氧區(qū)的優(yōu)勢(shì)菌為甲烷氧化菌,其中I型菌(甲基桿菌屬)及II型菌(甲基彎菌屬)居多,缺氧區(qū)甲烷氧化菌的相對(duì)豐度為13%左右,缺氧和無(wú)氧區(qū)中(厭氧粘細(xì)菌屬)成為了優(yōu)勢(shì)CF厭氧降解菌.CF在有氧、缺氧和無(wú)氧條件下均有效降解.在缺氧和無(wú)氧區(qū),CF經(jīng)厭氧還原脫氯轉(zhuǎn)化為二氯甲烷,部分二氯甲烷在(脫鹵素桿菌屬)作用下產(chǎn)生乙酸鹽、H2和CO2.在有氧區(qū),其余二氯甲烷通過(guò)甲烷氧化菌共代謝降解.改變進(jìn)氣口通量發(fā)現(xiàn),SLCS對(duì)甲烷的去除率與通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.80),但甲烷氧化速率與通量呈正相關(guān)關(guān)系(2=0.90).與甲烷類似,SLCS對(duì)CF的去除率與進(jìn)氣口通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.86),但降解速率與進(jìn)氣口通量呈正相關(guān)關(guān)系(2=0.89).此外,進(jìn)氣口通量的增加對(duì)CF好氧共代謝降解的促進(jìn)作用大于厭氧還原脫氯降解.該研究對(duì)氯代烴類污染物的降解提供了新的基礎(chǔ),對(duì)該類污染物的原位生物修復(fù)提供了理論依據(jù).

垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層；氯仿；還原脫氯；好氧共代謝

氯仿(CF)是一種重要的有機(jī)溶劑和產(chǎn)品中間體,被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子元件清洗和化學(xué)化工等過(guò)程.由于CF的大規(guī)模生產(chǎn)和不當(dāng)使用,造成了地下水、土壤和大氣環(huán)境的嚴(yán)重污染.美國(guó)環(huán)保署曾對(duì)39個(gè)小城鎮(zhèn)地下水進(jìn)行檢測(cè),CF檢出率為31%,是高檢出率氯代烴之一[1].德國(guó)Bitterfeld地區(qū)經(jīng)過(guò)近百年的化學(xué)工業(yè)發(fā)展,高達(dá)25km2的土壤和2億m3的地下水遭受CF等氯代烴的嚴(yán)重污染[2].我國(guó) “水中優(yōu)先控制污染物”中CF排名第二[3].此外,CF作為大氣中濃度最高的鹵代烴[4],其呼吸暴露途徑帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于皮膚接觸途徑帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)[5],其“三致”(致癌、致畸、致突變)效應(yīng),嚴(yán)重威脅人類健康[6,7].因此,如何有效控制CF類污染已引起環(huán)保領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.

填埋垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的填埋氣中除CH4和CO2外,還有超過(guò)70種的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)[8-9], CF是濃度較高的VOCs[9],是大氣氯代烴的重要污染源之一.填埋場(chǎng)覆蓋層作為填埋垃圾和大氣的界面,是典型的污染物包覆層,在減少填埋氣向大氣排放過(guò)程中扮演重要角色.如何通過(guò)深入認(rèn)識(shí)氯代烴在污染場(chǎng)地中的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制強(qiáng)化原位修復(fù)能力是當(dāng)前污染物降解研究中關(guān)注的重要課題.填埋場(chǎng)包覆層作為復(fù)雜的次生環(huán)境,微生物多樣性豐富,生長(zhǎng)底物充足,污染物種類復(fù)雜,是研究CF轉(zhuǎn)化機(jī)制的典型場(chǎng)地[10-12].充分認(rèn)識(shí)CF在填埋場(chǎng)包覆層中的沿程生物轉(zhuǎn)化機(jī)制對(duì)其他場(chǎng)地中CF的原位生物修復(fù)有重要指導(dǎo)價(jià)值.CF可發(fā)生的生物降解途徑包括好氧共代謝和厭氧還原脫氯[4],由于CH4等有機(jī)物生物氧化作用和空氣擴(kuò)散限制,填埋場(chǎng)包覆層不同梯度微環(huán)境存在明顯差異[13-14],因而CF在不同梯度可能存在不同生物轉(zhuǎn)化機(jī)制.然而,當(dāng)前關(guān)于CF在填埋場(chǎng)包覆層內(nèi)的降解過(guò)程及轉(zhuǎn)化機(jī)制還鮮有研究.

據(jù)此,本研究以垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層為典型污染物包覆層,CF為典型VOCs,建立模擬覆蓋層系統(tǒng)(SLCS).其主要目的是(1)考察不同工況下填埋氣的分布特性;確定SLCS中的CH4氧化能力和CF降解能力;(2)明晰CF在SLCS不同梯度的主要降解方式(厭氧還原脫氯和好氧共代謝等);(3)研究降解過(guò)程中土壤理化性質(zhì)的變化及其變化的原因;(4)探究降解過(guò)程中相關(guān)微生物的群落結(jié)構(gòu)、相對(duì)豐度與CH4氧化、CF降解間的關(guān)系,系統(tǒng)分析CF在覆蓋層中的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制.本文可為如何通過(guò)污染物包覆層經(jīng)濟(jì)有效地減少有害物質(zhì)的排放提供理論指導(dǎo),并為污染物的原位生物修復(fù)提供優(yōu)化策略.

1 材料與方法

1.1 垃圾填埋場(chǎng)覆蓋土

研究采用真實(shí)生活垃圾填埋場(chǎng)覆蓋土,取自重慶南岸區(qū)長(zhǎng)生橋生活垃圾填埋場(chǎng)(29°35′N, 106°33′E),占地69.14×104m2,庫(kù)容12×106m3,使用期限超過(guò)20a[15].覆蓋土均采集垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層表面10cm以下的自然土壤,手工去除石頭和植物等大顆粒后,將土壤通過(guò)4mm篩網(wǎng)篩分,留下粒徑較小的土壤.充分混合土壤,并用去離子水調(diào)節(jié)含水率為15%.原始覆蓋土初始含水率為10%, pH值為7.35,有機(jī)質(zhì)含量為15.9g/kgsoil;總碳、總磷和總氮含量分別為12.9、0.542和0.7g/kgsoil;硝態(tài)氮和氨態(tài)氮含量分別為45.1和256.2g/kgsoil[16].

1.2 模擬覆蓋層構(gòu)建與運(yùn)行

SLCS結(jié)構(gòu)如圖1所示.以PVC材料建立反應(yīng)柱,柱高100cm,內(nèi)徑30cm.柱體側(cè)方設(shè)置取樣口(氣體和土樣),第一個(gè)取樣口距離底端5cm,沿柱體向上每隔15cm設(shè)置一個(gè)取樣口,共6個(gè).反應(yīng)柱上下兩端通過(guò)法蘭盤墊橡膠圈密封,下端設(shè)置1個(gè)開(kāi)口用于填埋氣(CH4、CO2和CF)進(jìn)入,上端設(shè)置兩個(gè)開(kāi)口用于空氣通入及尾氣排放.反應(yīng)柱底端鋪設(shè)鐵絲網(wǎng),裝填5cm高的粗砂粒,再次鋪設(shè)同直徑鐵絲網(wǎng),該層用于提供覆蓋土支撐及均勻分布填埋氣.覆蓋土層裝填高度為75cm,頂部預(yù)留20cm高的氣相空間.

圖1 模擬覆蓋層系統(tǒng)示意

基于實(shí)際垃圾填埋場(chǎng)覆蓋土構(gòu)建了2組SLCS,以經(jīng)疊氮化鈉滅菌(0.13mg/gdried soil)[17]的覆蓋土為生物介質(zhì),CH4、CO2和CF混合氣為模擬填埋氣的運(yùn)行系統(tǒng)為對(duì)照組;以活性覆蓋土為生物介質(zhì),CH4、CO2和CF混合氣為模擬填埋氣的運(yùn)行系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組,2個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)條件相同,CF濃度相同.CH4和CO2混合氣(體積比1:1)攜帶CF由SLCS底部向上擴(kuò)散,空氣由頂部經(jīng)去離子水加濕后通入SLCS.CF初始濃度按照填埋氣中痕量氣體濃度范圍進(jìn)行選擇[18],保持CF濃度不變,增加入口流量, SLCS基本參數(shù)如表1所示.連續(xù)監(jiān)測(cè)不同深度CH4、O2、CO2和CF濃度,持續(xù)51d.

表1 模擬覆蓋層系統(tǒng)基本參數(shù)

1.3 分析檢測(cè)

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中每天對(duì)模擬覆蓋層中所有梯度填埋氣進(jìn)行取樣分析,利用微型吸氣泵(DC12- 24V, 0.5L/min)將氣體收集于50mL集氣袋中,每個(gè)梯度每次取2個(gè)平行樣,用1mL氣密性進(jìn)樣針(安捷倫)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè).氣體流量采用質(zhì)量流量計(jì)(D07,上海七星華創(chuàng))控制,出口流量采用皂膜流量計(jì)監(jiān)測(cè).每隔15d對(duì)各個(gè)梯度覆蓋土進(jìn)行取樣,用于土壤理化性質(zhì)和微生物多樣性分析.

CH4、O2和CO2采用氣相色譜(川儀SC-6000A)測(cè)定,色譜條件:不銹鋼色譜柱TDX8-12-25 2m,進(jìn)樣口溫度、柱溫以及檢測(cè)器(TCD)溫度分別為120、90和120℃,氮?dú)鉃檩d氣,載氣流速為25mL/min,進(jìn)樣量0.5mL.

CF采用氣相色譜(川儀SC-3000B),色譜條件:不銹鋼色譜柱GDX-104 2m;進(jìn)樣器溫度、柱溫和檢測(cè)器(ECD)溫度分別為120、80和200℃;氮?dú)鉃檩d氣,載氣流速為40mL/min;尾吹氣速為10mL/min;進(jìn)樣量:0.1mL;基流補(bǔ)償0.00nA.

氯離子通過(guò)抽提液抽提離子色譜分析(色譜條件:色譜柱Dionex AG9-HC 2mm保護(hù)柱,Dionex AS9-HC 2m分離柱),詳細(xì)方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[19].有機(jī)質(zhì)采用元素分析儀(開(kāi)元儀器5E-CHN2200)進(jìn)行分析;覆蓋土含水率通過(guò)土樣烘干(105℃)前后質(zhì)量差進(jìn)行衡算.

1.4 DNA提取與高通量測(cè)序

用Mobio PowerSoil? DNA Isolation Kit提取土壤樣品中微生物總基因組DNA,并利用Mobio PowerClean? DNA Clean-Up Kit完成對(duì)DNA的純化.純化后的DNA產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè).

對(duì)16S DNA高變區(qū)序列進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序區(qū)域?yàn)閂3+V4.使用Trimmomatic、FLASH軟件對(duì)Miseq測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得干凈數(shù)據(jù):1)過(guò)濾read尾部質(zhì)量值20以下的堿基.設(shè)置50bp的窗口,如果窗口內(nèi)的平均值低于20bp.從窗口開(kāi)始截去后端堿基,過(guò)濾質(zhì)控后50bp以下的read;2)根據(jù)PE reads之間的overlap關(guān)系,將成對(duì)reads拼接(merge)成一條序列,最小overlap長(zhǎng)度為10bp;3)拼接序列的overlap區(qū)允許的最大錯(cuò)配比率為0.2,篩選不符合序列;4)檢測(cè)序列末端box序列,最小錯(cuò)配數(shù)為0將起始端包括box的序列進(jìn)行反向互補(bǔ),并去除box;5)檢測(cè)序列上的barcode并區(qū)分樣品,barcode錯(cuò)配數(shù)為0,最大引物錯(cuò)配數(shù)為2.

數(shù)據(jù)誤差和相關(guān)性采用SPSS Statistics 21 軟件分析,多樣性數(shù)據(jù)采用i-sanger平臺(tái)(http://www. i-sanger.com/)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬覆蓋層的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及填埋氣的梯度分布

實(shí)際填埋場(chǎng)關(guān)于甲烷氧化的研究中發(fā)現(xiàn)填埋氣在覆蓋層不同深度的濃度差異很大,生物降解和對(duì)流擴(kuò)散是影響氣體分布的主要原因[20],系統(tǒng)運(yùn)行期間,實(shí)驗(yàn)組SLCS顯示出穩(wěn)定的活性.

實(shí)驗(yàn)組生物氣濃度隨時(shí)間變化的梯度分布如圖2所示,每一層氣體梯度變化明顯且保持穩(wěn)定,說(shuō)明SLCS穩(wěn)定運(yùn)行,每一層的CO2濃度高于CH4濃度,表明有CO2的產(chǎn)生.O2濃度隨深度的增加而下降,15cm處有少量O2檢出,30cm處偶有微量O2檢出(圖2C), SLCS可按此分為有氧區(qū)(0~20cm)、缺氧區(qū)(20~40cm)和無(wú)氧區(qū)(>40cm),與文獻(xiàn)報(bào)道中覆蓋層分區(qū)相符[9].CH4、O2、CO2和N2濃度隨深度變化的代表性分布如圖3所示.圖3B為對(duì)照組CH4、O2、CO2和N2濃度分布,O2和N2濃度分布表明空氣貫穿整個(gè)SLCS,CH4和CO2的濃度分布幾乎相同.實(shí)驗(yàn)組(圖3A)CH4向上擴(kuò)散時(shí)濃度明顯減小,與CH4相比,CO2向上擴(kuò)散時(shí)濃度減小的趨勢(shì)并不明顯,印證了有CO2產(chǎn)生. SLCS中O2的去除,CH4的減小和CO2的增加進(jìn)一步證明了SLCS中的CH4氧化.通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的氣體分布圖,可知CH4氧化過(guò)程對(duì)覆蓋層內(nèi)氣體分布影響顯著,CH4氧化使得SLCS產(chǎn)生無(wú)氧區(qū),O2消耗使覆蓋層無(wú)氧區(qū)上移.

圖2 實(shí)驗(yàn)組生物氣濃度隨時(shí)間變化的梯度分布

圖3 CH4、O2、CO2和N2濃度隨深度變化的代表性分布(氣體通量0.306m3/(m2·d))

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,同時(shí)檢測(cè)了CF及其脫氯產(chǎn)物相對(duì)濃度的梯度分布.在SLCS下部出現(xiàn)低濃度的二氯甲烷(DCM,6.6~57.5mg/L),表明CF部分厭氧還原脫氯,從而導(dǎo)致DCM累積.SLCS中CF和DCM的梯度變化如圖4所示.從DCM的濃度曲線可知,在SLCS表面下方30~45cm處,DCM濃度最大,累積的DCM最多,15~30cm處DCM濃度迅速下降,表明在SLCS上部DCM迅速氧化.此外,已有研究表明,低氯取代的氯代烴難以進(jìn)行厭氧還原脫氯降解,易以好氧共代謝或直接氧化的方式降解[21],所以DCM在無(wú)氧區(qū)和缺氧區(qū)累積,并在有氧區(qū)迅速降解.因此,高氯取代烴在無(wú)氧和缺氧條件下還原脫氯降解產(chǎn)生低氯取代烴,所產(chǎn)生的低氯取代烴在有氧條件下迅速降解,是高氯取代烴降解的良好途徑.

圖4 氯仿和二氯甲烷濃度隨深度變化(氣體通量0.306m3/(m2·d))

2.2 不同通量條件下甲烷和氯仿降解情況

系統(tǒng)運(yùn)行期間,SLCS對(duì)CH4的去除率為24.3%~88.7%,氧化速率為48.9g/(m2·d)~161.7g/ (m2·d),這與已報(bào)道CF在SLCS中的CH4去除率56~64%及氧化速率146g/(m2·d)相當(dāng)[22]. SLCS對(duì)CH4的去除率和氧化速率隨進(jìn)氣口通量的變化關(guān)系如圖5所示.在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的進(jìn)氣口通量條件下(0.306~1.529g/(m2·d)),SLCS對(duì)CH4的去除率與通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.80),但CH4氧化速率與通量呈正相關(guān)關(guān)系(2=0.90).這是因?yàn)殡S著通量的增加,填埋氣在SLCS中的停留時(shí)間逐漸減小,導(dǎo)致CH4去除效率逐漸減小.但同時(shí),進(jìn)氣口通量的增大導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)SLCS的CH4氧化總量逐漸增大,從而CH4氧化速率增大.整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間,SLCS對(duì)CF的去除率為11.5%~83.6%,降解速率為0.168~0.486g/ (m2·d).SLCS對(duì)CF的去除率和降解速率隨進(jìn)氣口通量的變化關(guān)系如圖6所示.在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的進(jìn)氣口通量條件下,SLCS對(duì)CF的去除率與進(jìn)氣口通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.86),但降解速率與進(jìn)氣口通量呈正相關(guān)關(guān)系(2=0.89).由以上分析可知,實(shí)驗(yàn)條件下,CH4去除率、氧化速率和CF去除率、降解速率隨進(jìn)氣口通量變化的正負(fù)相關(guān)性一致,原因是CH4氧化過(guò)程產(chǎn)生的單加氧酶可共代謝降解CF,且在SLCS中CF的好氧共代謝降解占主要部分.隨著進(jìn)氣口通量的增加,好氧甲烷氧化總量增大,厭氧區(qū)增加,對(duì)CF好氧共代謝和厭氧還原脫氯降解均有促進(jìn)作用.

甲烷生物氧化過(guò)程產(chǎn)生生物質(zhì),CO2和水,CF降解最終產(chǎn)物為無(wú)機(jī)氯,通過(guò)監(jiān)測(cè)生物氧化過(guò)程覆蓋土理化性質(zhì)時(shí)空變化可進(jìn)一步評(píng)估覆蓋土的生物氧化能力.覆蓋土pH值、有機(jī)質(zhì)、含水率和Cl-含量隨深度的變化如圖7所示.模擬覆蓋層中pH值變化范圍為6.86~7.60,整體呈弱堿性,SLCS表層pH值較低,SLCS表面30cm以下pH值基本保持不變(圖7A),其原因是SLCS表層CH4氧化產(chǎn)生CO2,而CO2為酸性氣體.隨著系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行,SLCS各梯度有機(jī)質(zhì)含量均有所增加,SLCS表面下方15cm左右有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)最快且含量最高(圖7B).生物質(zhì)是CH4生物氧化的產(chǎn)物,有機(jī)質(zhì)的積累證明了微生物的活性,SLCS表面下方15cm左右有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)最快且含量最高表明此處CH4氧化活性最高,因此共代謝降解CF產(chǎn)生的Cl-含量最高(圖7D).水也是CH4生物氧化的產(chǎn)物,但含水率最高處為SLCS表面下方30cm處而非CH4氧化速率最快的15cm處(圖7C),其原因是頂部空氣的通入帶走了SLCS中的大量水分.從Cl-含量隨深度的變化(圖7D)中可看出無(wú)氧區(qū)Cl-含量隨時(shí)間增加和通量增大緩慢上升,有氧區(qū)Cl-含量隨時(shí)間增加和通量增大迅速上升,其原因是SLCS中好氧共代謝降解活性遠(yuǎn)大于厭氧還原脫氯降解活性.因此實(shí)驗(yàn)設(shè)置條件下,隨著進(jìn)氣口通量的增加對(duì)CF好氧共代謝降解的促進(jìn)作用大于厭氧還原脫氯降解.

圖6 氯仿的去除率和降解速率隨進(jìn)氣口通量的變化

圖7 覆蓋土pH值、有機(jī)質(zhì)、含水率和Cl-含量隨深度變化

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)變化

有氧條件下,CF可通過(guò)甲烷氧化菌共代謝降解.SLCS中不同梯度甲烷氧化菌的相對(duì)豐度如圖8所示,總土樣中共檢測(cè)到9種屬水平的甲烷氧化菌,分別為(甲基桿菌屬)、(甲基彎菌屬)、(甲基暖菌屬)、unclassified_o__(甲基球菌目)、norank_f__(甲基桿菌科)、norank_f__(嗜甲基菌科)、(甲基微菌屬)、(甲基孢囊菌屬)和(甲基鹽單胞菌屬),其中優(yōu)勢(shì)甲烷氧化菌為、和.有氧區(qū)甲烷氧化菌的相對(duì)豐度高達(dá)22%,缺氧區(qū)甲烷氧化菌的相對(duì)豐度為13%左右,無(wú)氧區(qū)甲烷氧化菌的相對(duì)豐度為4%左右,甲烷氧化菌在有氧區(qū)和缺氧區(qū)的相對(duì)豐度顯著高于無(wú)氧區(qū).SLCS表面下方15cm處甲烷氧化菌的相對(duì)豐度最高,從微生物的角度說(shuō)明此處甲烷氧化速率最快.是屬于(甲基球菌科)的Ⅰ型甲烷氧化菌[23],的相對(duì)豐度隨SLCS運(yùn)行時(shí)間的推移逐漸降低,而SLCS下方30cm處的相對(duì)豐度基本保持不變(10%左右),說(shuō)明更適合在缺氧區(qū)生長(zhǎng).是屬于(甲基孢囊菌科)的Ⅱ型甲烷氧化菌[23],SLCS表面下方0~15cm處的相對(duì)豐度隨SLCS運(yùn)行時(shí)間的推移逐漸增加,說(shuō)明更適合在有氧區(qū)生長(zhǎng).氧氣濃度是影響甲烷生物氧化的重要因素,Ⅰ型甲烷氧化菌適合在CH4/O2比較高的缺氧區(qū)生長(zhǎng),Ⅱ型甲烷氧化菌適合在CH4/O2比較低的有氧區(qū)生長(zhǎng),認(rèn)清適合不同情況的甲烷氧化菌,對(duì)減少CH4和CF等有害物質(zhì)的排放意義重大.

圖8 模擬覆蓋層系統(tǒng)中不同梯度甲烷氧化菌的相對(duì)豐度

Day_0, Day_15和Day_45分別表示初始,第15和45d覆蓋土的微生物群落結(jié)構(gòu)

表2 氯仿厭氧降解菌屬

無(wú)氧條件下,CF主要通過(guò)產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌、發(fā)酵菌和脫鹵呼吸菌降解[24-28].已報(bào)道的可厭氧降解氯代烴的菌屬如表2所示,分別屬于(厚壁菌門)、(變形菌門)、(綠彎菌門)和(酸桿菌門),最主要的為和,其中(脫鹵擬球菌屬)、(脫鹵素桿菌屬)和(脫鹵菌屬)被認(rèn)為是對(duì)有機(jī)鹵化物呼吸至關(guān)重要且功能多樣的菌屬[29]. SLCS中不同梯度厭氧降解菌的相對(duì)豐度如圖9所示,SLCS中共檢測(cè)到5個(gè)屬,相對(duì)豐度從大到小依次為(厭氧粘細(xì)菌屬)、、(梭菌屬)、(脫硫桿菌屬)和(地桿菌屬).優(yōu)勢(shì)厭氧降解菌為,其相對(duì)豐度在SLCS表面以下30cm處最大且持續(xù)增加,30cm以下其相對(duì)豐度也較高,表明更適合在缺氧區(qū)生長(zhǎng),且對(duì)CF厭氧降解貢獻(xiàn)率最大.是SLCS中增長(zhǎng)幅度最大的菌屬,且是3種重要的有機(jī)鹵化物呼吸菌之一,隨著時(shí)間的推移其相對(duì)豐度可能持續(xù)增加.SLCS表面30cm處,相對(duì)豐度最大,且顯著高于其他區(qū)域,表明更適合在缺氧區(qū)生長(zhǎng).因此,是SLCS中的優(yōu)勢(shì)CF降解菌屬,是SLCS中最具CF厭氧降解潛力的菌屬,且這2種菌屬都適合在缺氧區(qū)生長(zhǎng).

圖9 模擬覆蓋層系統(tǒng)中不同深度厭氧降解菌的相對(duì)豐度

Day_0, Day_15和Day_45分別表示初始,第15和45d覆蓋土的微生物群落結(jié)構(gòu)

2.4 典型污染物包覆層中氯仿的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制分析

CF在有氧、缺氧和無(wú)氧條件下均能被降解,相應(yīng)產(chǎn)生CO2和低氯取代物[4].填埋氣至下而上遷移的過(guò)程中,依次經(jīng)過(guò)覆蓋層的無(wú)氧區(qū)(>40cm)、缺氧區(qū)(40~20cm)和有氧區(qū)(20~0cm),CF在覆蓋層中的沿程生物降解機(jī)制如圖10所示.填埋氣中的CF由填埋垃圾產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)覆蓋層的無(wú)氧區(qū),在和等脫氯細(xì)菌的作用下,還原脫氯產(chǎn)生DCM,DCM可在的作用下進(jìn)一步降解,產(chǎn)生乙酸鹽、H2和CO2[36].CF在有氧區(qū)主要通過(guò)、和等甲烷氧化菌產(chǎn)生的甲烷單加氧酶(MMO)催化降解,形成三氯甲醇和碳酰氯等中間產(chǎn)物,并最終產(chǎn)生CO2和HCl[4].未經(jīng)過(guò)降解的DCM,在有氧區(qū)通過(guò)甲烷氧化菌共代謝進(jìn)一步降解,最終產(chǎn)生CO2和HCl[37].甲烷氧化菌在覆蓋層表面下方15cm左右相對(duì)豐度最大(圖8),表明此處產(chǎn)生的甲烷單加氧酶(MMO)最多,降解產(chǎn)生的Cl-含量最高(圖7),對(duì)CF的降解貢獻(xiàn)率最大.從覆蓋層中的甲烷氧化菌和厭氧降解菌的相對(duì)豐度圖(圖8和圖9)可知,CF在缺氧區(qū)中可同時(shí)發(fā)生有氧區(qū)和無(wú)氧區(qū)的反應(yīng),且和等脫氯細(xì)菌更適合在缺氧區(qū)生長(zhǎng).

實(shí)際污染場(chǎng)地的修復(fù)往往非常復(fù)雜,氯代烴等VOCs污染場(chǎng)地的原位生物修復(fù)可基于CF在覆蓋層中的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行.原位生物修復(fù)可分為生物強(qiáng)化和生物刺激,進(jìn)行生物強(qiáng)化時(shí)可將等脫氯細(xì)菌投加到更適宜其生長(zhǎng)的缺氧區(qū),進(jìn)行生物刺激時(shí)可將生長(zhǎng)底物加入到更適合相應(yīng)微生物生長(zhǎng)的區(qū)域以充分利用生長(zhǎng)底物.本研究可為如何通過(guò)污染物包覆層經(jīng)濟(jì)有效地減少有害物質(zhì)的排放提供理論指導(dǎo),并為污染物的原位生物修復(fù)提供優(yōu)化策略.未來(lái)需進(jìn)一步認(rèn)識(shí)此類污染物包覆層中的功能微生物,探究其他種類VOCs在污染物包覆層中的生物降解機(jī)制,并研究多種VOCs共存對(duì)微生物群落、CH4氧化及其他有害物質(zhì)降解的影響.

3 結(jié)論

3.1 CH4氧化過(guò)程對(duì)SLCS內(nèi)氣體分布影響顯著, SLCS中最大CH4氧化發(fā)生在覆蓋層表面下方15cm左右,此處甲烷氧化菌相對(duì)豐度最高(>20%),產(chǎn)生MMO最多,共代謝降解CF活性最強(qiáng),產(chǎn)生的Cl-含量最高,為293ug/kgsoil,好氧共代謝是CF降解主要機(jī)制.

3.2 填埋氣向上遷移過(guò)程中,經(jīng)過(guò)無(wú)氧區(qū)(>40cm)、缺氧區(qū)(40~20cm)和有氧區(qū)(20~0cm).無(wú)氧區(qū)中CF還原脫氯產(chǎn)生DCM,DCM在的作用下進(jìn)一步降解,產(chǎn)生乙酸鹽、H2和CO2,有氧區(qū)中CF和DCM通過(guò)甲烷氧化菌共代謝降解,缺氧區(qū)中可同時(shí)發(fā)生還原脫氯和共代謝作用.

3.3 SLCS的有氧區(qū)中優(yōu)勢(shì)菌為甲烷氧化菌,其中I型菌及II型菌為優(yōu)勢(shì)菌屬,對(duì)CF好氧共代謝降解起重要作用;是缺氧區(qū)和無(wú)氧區(qū)中優(yōu)勢(shì)菌屬,對(duì)CF厭氧還原脫氯降解起重要作用.

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The biotransformation mechanism of chloroform in landfill cover.

LIU Shuai1, XING Zhi-lin1,2, LI Chen1, ZHANG Hao1, HU Wen-qing1, ZHANG Li-jie1, ZHANG Yun-ru1, ZHAO Tian-tao1,2*

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400050, China；2.College of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)., 2018,38(12)：4581~4590

It is important to deeply understanding thedegradation mechanism of chloroform (CF) along the depth of a soil layer. In this study, the simulated landfill cover system (SLCS) was set up and biotransformation mechanism of CF was firstly investigated by the method of diversity sequencing. The results showed that the landfill cover was divided into three zones along the depth, aerobic zone (0~20cm), anoxic zone (20~40cm) and anaerobic zone (>40cm), based on the oxygen content. The analysis of diversity sequencing revealed that methanotrophs were dominant bacteria in aerobic zone, including type I methanotrophsand type II methanotrophs. Whilewas the dominant bacteria for CF biodegradation by reductive dechlorination in anoxic and anaerobic zone. In addition, the relative abundance of methanotrophs in the anoxic zone was about 13%. These results suggested that CF was firstly degraded effectively in aerobic, anoxic and anoxic zone. Previous studies reported that CF can be degraded into dichloromethane reductive dechlorination in the anoxic and anaerobic zone, and part of dichloromethane would be transformed into acetate, H2and CO2due to the activity of, which agreed with this study. The metabolic product dichloromethane was then completely degraded by through co-metabolism by methanotrophs in aerobic and anoxic zone. Moreover, the relationship between biodegradation capacity and gas flux was also studied. With the change of inlet flux, there was a negative correlation between methane removal efficiency and flux (2=0.80), while the positive correlation was found between methane biodegradation rate and flux (2=0.86). Similarly, CF biodegradation efficiency decreased with increase of inlet gas flux (2=0.86), while biodegradation rate increased with increase of inlet gas flux (2=0.89). Therefore, aerobic co-metabolism contributed more in in removal of CF than reductive dichlorination. These results provided theoretical basis for in situ bioremediation of chlorinated aliphatic hydrocarbons pollutants.

landfill cover；chloroform；reductive dechlorination；aerobic cometabolism

X701

A

1000-6923(2018)12-4581-10

劉 帥(1993-),男,重慶合川人,碩士,主要從事環(huán)境微生物多樣性分析及污染控制研究.發(fā)表論文4篇.

2018-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41502328);重慶市科技項(xiàng)目(cstc2015jcyjB0015,cstc2015shmszx80006)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhaott@cqut.edu.cn