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  华东师范大学学报(自然科学版)  2018 Issue (6): 81-87  DOI: 10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.010
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引用本文  

尹超, 黄民生, 何岩, 等. LAS在城市黑臭河道中的生物降解[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2018, (6): 81-87. DOI: 10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.010.
YIN Chao, HUANG Min-sheng, HE Yan, et al. Biodegration of LAS in an urban malodorous river[J]. Journal of East China Normal University (Natural Science), 2018, (6): 81-87. DOI: 10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.010.

基金项目

国家科技重大专项(2017ZX07207001,2018ZX07208008);上海市科技创新行动计划(18DZ1203806)

第一作者

尹超, 男, 博士研究生, 研究方向为水环境治理与修复.E-mail:yinchao31@163.com

通信作者

黄民生, 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为水环境治理与修复.E-mail:mshuang@des.ecnu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2018-07-13
LAS在城市黑臭河道中的生物降解
尹超 1,2, 黄民生 1,2, 何岩 1,2, 崔贺 1,2, 王迪芳 1,2, 张婷月 1,2, 肖冰 1,2     
1. 华东师范大学 生态与环境科学学院, 上海 200241;
2. 华东师范大学 上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室, 上海 200241
摘要:采用"river-die away"研究不同环境条件下阴离子表面活性剂LAS在上海市普陀区李湾河黑臭水体中的降解.探究不同的温度、pH、LAS初始浓度、葡萄糖和曝气条件对LAS生物降解的影响.结果表明:温度由10℃升至30℃,LAS降解半衰期由6.5 d降至2.5 d;表面活性剂在pH值为8.5±0.2时的降解性能优于pH值为7.5±0.2和pH值为9.5±0.2的降解性能;各实验组降解半衰期随着LAS初始浓度增大而增大(由2.9 d增至3.4 d);添加葡萄糖会抑制LAS生物降解,连续曝气会促进LAS生物降解.
关键词LAS    黑臭河道    生物降解    
Biodegration of LAS in an urban malodorous river
YIN Chao 1,2, HUANG Min-sheng 1,2, HE Yan 1,2, CUI He 1,2, WANG Di-fang 1,2, ZHANG Ting-yue 1,2, XIAO Bing 1,2     
1. School of Ecological and Environmental Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China;
2. Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration, East China Normal University, 200241, China
Abstract: Biodegradation of the anion-surfactant LAS in the urban malodorous water of Liwan River in Putuo District (Shanghai) was studied by "river-die away"under different conditions. In particular, the influences of temperature, pH, initial concentration of LAS, nutrients (C6H12O6) and aeration conditions on the biodegradation of LAS were investigated. The study showed that when the temperature increased from 10℃ to 30℃, the half-life of LAS decreased from 6.5 days to 2.5 days. The biodegration of surfactant at pH=8.5±0.2 was slightly better than that at pH=7.5±0.2 and pH=9.5±0.2. With greater initial concentration, the half-life of LAS increased from 2.9 days to 3.4 days. C6H12O6 inhibited degradation of LAS, but the degradation of LAS accelerated under continuous aeration conditions.
Keywords: LAS    urban malodorous river    biodegration    
0 引言

表面活性剂是一类具有润湿、乳化、增溶、洗涤、防腐、杀菌等作用, 并广泛用于工业、农业和日用品的化工产品[1-2].据统计, 2015年我国表面活性剂产量为214.8万t, 其中阴离子表面活性剂产量为93.64万t, 而直链烷基苯磺酸钠(LAS)约占阴离子表面活性剂产量的41%[3].阴离子表面活性剂(LAS)的使用给人类社会带来便利的同时也给地球环境带来一定的危害.

当阴离子表面活性剂(LAS)进入水体后, 易产生泡沫阻碍水气交换, 影响水体复氧、降低溶解氧, 影响水体自净能力, 使水体污染加重[4].一定浓度的LAS会对生物的生长产生影响, 低浓度的LAS会刺激亚硝化细菌生长, 浓度过高时抑制亚硝化细菌生长[5].当水体LAS浓度达到100 mg/L时, 会严重抑制厌氧氨氧化菌(ANAMMOX)的活性, 导致其脱氮速率降低[6]. LAS在土壤中的矿化度会对微生物分布产生影响, 微生物数量随LAS矿化度下降而下降[7]. LAS不仅能引起植物体内多种酶(SOD等)活性降低, 而且还导致水生动物器官不同程度损伤甚至导致水生动物死亡[5, 8-11].在水生环境中, LAS的去除主要包括微生物去除和水体中悬浮颗粒和沉积物的吸附.其中, 微生物降解是主要的去除途径; 在有氧条件下, 微生物首先利用体内酶(加氧酶、脱氢酶等)使烷基链断裂, 然后是苯环开裂和脱磺酸的过程[12-14].近年来, 国内外学者对LAS的生物降解做了大量研究, 主要分为: ①利用高效降解菌株降解LAS[15-16]; ②自然水体中LAS的生物降解等[17-21].这些研究主要集中在富营养化湖泊及一般河流, 而针对城市河道黑臭水体中的LAS生物降解性能的研究鲜有耳闻[17-18].

本文以李湾河为研究对象, 在实验室条件下分析不同环境因子对LAS生物降解的影响, 旨在了解城市黑臭河道内LAS生物降解规律, 为治理黑臭河道的LAS提供理论依据.

1 材料与分析方法

本实验采用"river-die away"方法[21-23], 该方法是指在不同的实验条件下, 向采集的水体中添加待降解的受试物质, 探讨和分析该物质在水体中的生物降解规律[17].于2018年4月日采集上海市普陀区李湾河(采样点位于河中段)表层0$\sim $20 cm实验水样.采样时水体主要理化指标如下, 水温为19.7℃, pH为7.77, 溶解氧浓度(DO)为2.34 mg/L, NH$_{4}^{+}$-N浓度为9.34 mg/L, TN浓度为10.25 mg/L, PO$_{4}^{3-}$-P浓度为0.25 mg/L, TP浓度为0.32 mg/L, COD$_{\rm Cr}$为51 mg/L, LAS浓度为0.36 mg/L.水样充分混合后, 过滤(64 $\mu $m浮游植物网)水体中藻类及悬浮杂质.滤液置于2 L广口烧杯中, 置于生化培养箱中避光培养.

李湾河是上海市普陀区内一条城市内河, 全长264 m、宽约7 m、水深约1 m、流域面积约1 869 m$^{2}$, 水体基本不流动.因受临近居民区生活污水和洗车行洗涤废水直接排放的影响且水动力条件较差, 受人为干扰严重, 水质自我净化能力较弱, 是一条典型的黑臭河道.李湾河全年的水温在5$\sim $30℃之间, pH值在7$\sim $9之间, N、P含量较高.因此本实验设计的培养温度分别为10℃、20℃和30℃, pH值分别为7.5±0.2、8.5±0.2和9.5±0.2, LAS初始浓度分别为3.33 mg/L、5.90 mg/L和11.10 mg/L.李湾河不仅是黑臭水体而且还是富营养化水体, 因此考察微生物在足量的碳源(葡萄糖为3 g/L)和溶解氧条件下对LAS生物降解的影响(见表 1).实验中主要温度20℃, pH值为7.52, 主要是为了保持与采样时水温和pH值一致.实验开始后每天测定LAS的含量, 连续测定13 d, 实验数据采用Excel和Oringin8.0进行分析, LAS采用亚甲基蓝分光光度法测定, 利用SPSS 19.0中的Pearson相关性分析分析LAS与环境因子间的相关性.

表 1 LAS生物降解实验的培养条件 Tab.1 Different cultivation conditions for the biodegration of LAS
2 结果与分析 2.1 温度对LAS生物降解的影响

图 1可知, 温度($T)$变化对LAS的生物降解产生很大影响. LAS的降解速率随着温度的升高加快, 主要是因为温度可以通过影响微生物酶的活性、蛋白质的合成等来影响微生物对LAS的降解.在低温时, 微生物生长代谢和体内的酶促反应缓慢, 当温度升高, 微生物细胞中的生化反应速率和生长速率都会加快[24-27];并且自然水体中大部分微生物的最适生长温度为25$\sim $37℃.前3天, $T$为30℃时LAS降解速率明显大于$T$为20℃和10℃时的降解速率.第3天以后, $T$为20℃和$T$为30℃的LAS浓度和降解速率无太大差别, 可能是因为当水体中LAS浓度较低并且存在大量降解LAS的微生物时, 温度不再是影响LAS生物降解的重要原因.当$T$为10℃、20℃和30℃时, 降解半衰期分别为6.5 d、2.9 d和2.5 d.当LAS降解率达到90%以上时, 分别需要9 d、3 d和3 d.

图 1 不同温度下LAS降解曲线 Fig.1 The degration curves of LAS under different temperatures
2.2 pH值对LAS生物降解的影响

一般情况下, 水体pH值变化会对微生物产生很大影响.不仅影响微生物核酸、胞外聚合酶等物质性质, 影响活性; 而且引起细胞膜表面所带电荷的变化, 影响细胞对外界营养物质吸收能力的变化; 此外, 还会影响水体中某些化合物的离子化状态和进出细胞的状况, 从而促进或抑制微生物的新陈代谢[28-29].本实验中, 表面活性剂在pH值为8.5±0.2时略优于pH值为7.5±0.2和pH值为9.5±0.2时的生物降解速率, 第4天开始, 各组间的LAS降解速率无明显差别(见图 2).可能是因为李湾河水体pH值常年处于7$\sim $9范围内, 微生物得到一定驯化和适应.但是有研究表明:当pH值为12时, 水体中LAS的生物降解速率会受到明显抑制[19].当pH值为7.5±0.2、8.5±0.2和9.5±0.2时, 半衰期分别为2.9 d、1.7 d和1.9 d.当LAS降解率达到90%以上时, 分别需要3 d、3 d和4 d.

图 2 不同pH值下LAS降解曲线 Fig.2 The degration curves of LAS under different pH values
2.3 初始浓度对LAS生物降解的影响

LAS的初始浓度会对LAS生物降解产生一定影响(见图 3).随着LAS浓度的增大, 降解LAS的效率会随之减小, 因为高浓度LAS对微生物的生长产生抑制[27].有研究表明当LAS浓度超过10 mg/L时, 会对微生物产生一定毒害作用[17].当初始浓度达到11.10 mg/L时, 实验组存在明显的降解缓慢期, 但缓慢期较短.可能由于李湾河常年受纳含LAS的污水, 使得微生物耐受性增强.此外, 在试验第2$\sim $3天之间, 各实验组降解率LAS浓度11.10 mg/L (7.83 d) $>$ LAS浓度5.90 mg/L (2.12 d) $>$ LAS浓度3.33 mg/L (2.11 d), 由此可知初始浓度的不同会显著影响LAS降解.第6天以后, 各实验组的降解效率和浓度无太大差别.实验组降解半衰期随着初始浓度增大而增大, LAS浓度为3.33 mg/L、5.90 mg/L和11.10 mg/L的半衰期分别为2.9 d、3 d和3.4 d.当LAS降解率达到90%以上时, 分别需要3 d、3 d和5 d.

图 3 不同初始浓度LAS的降解曲线 Fig.3 The degration curves of LAS under different initial concertration
2.4 碳源对LAS生物降解的影响

在黑臭水体中探讨碳源对LAS生物降解的影响是十分必要的.在培养温度为20℃、pH值为7.5±0.2、初始浓度为3.33 mg/L的条件下, 添加浓度为3 g/L的葡萄糖(见图 4).与对照组相比, 添加葡萄糖LAS生物降解受到抑制明显(半衰期为9 d).这是因为相比LAS中的碳源, 葡萄糖中的碳源能够优先被微生物利用, 从而影响LAS的降解[30].因此在修复含LAS的黑臭水体时, 需要优先控制水体中碳元素含量.

图 4 添加碳源下LAS的降解曲线 Fig.4 The degration curves of LAS with carbon added
2.5 曝气条件对LAS生物降解的影响

曝气是城市黑臭河道水体修复的重要手段之一, 曝气不仅可以提高水体DO含量, 还可以增加水体扰动, 增强微生物呼吸作用和提高降解LAS酶的活性[31].水体中LAS的生物降解是以好氧降解为主, 因为对LAS烷基活化作用的$\beta $-氧化、$\omega $-氧化和$\alpha $-氧化都需要氧的参与才能完成, 磺酸基团分解依赖多种加氧酶才能将C-S链转化为C-OH链, 苯环的开裂氧化也需要氧气的参与[7, 32-36].由图 5知连续曝气条件下LAS生物降解得到有效促进, 其半衰期(1.5 d)比对照组提前1.4 d.

图 5 曝气条件下LAS的降解曲线 Fig.5 The degration curves of LAS under aerated conditions
2.6 LAS与环境因子间相关性分析

利用SPSS 19.0分析LAS生物降解与环境因子之间的相关性(见表 2).结果显示LAS与初始浓度成显著正相关(p < 0.01), 与曝气成显著负相关(p < 0.01), 而与pH值无显著相关, 这与之前实验结果一致.此外, 曝气与温度和pH成显著正相关(p < 0.05), 而pH值与碳源成负相关(p < 0.01), 均具有统计学意义.但是LAS与温度无显著相关却无法解释, 因为实验中LAS的生物降解速率随温度上升而升高(见图 1).

表 2 LAS与环境因子间相关性分析(n=126) Tab.2 Correlation analysis between LAS and environmental parameters (n=126)
3 结论

不同的环境因子对李湾河黑臭水体中的LAS生物降解产生一定的影响, 由实验可知, 温度越高, LAS生物降解速率越快.当温度由10℃升到30℃, LAS降解半衰期由6.5 d减少到2.5 d. pH值为8.5±0.2时的降解速率略优于pH值为7.5±0.2时的降解速率, 半衰期降至1.4 d, 而pH值为9.5±0.2时的降解速率受到抑制.曝气对李湾河黑臭水体中LAS降解产生重要影响, 曝气后LAS降解速率加快, 半衰期降至1.4 d, 增加曝气能促进LAS降解.此外, LAS初始浓度、碳源条件也会对LAS生物降解产生影响, 当初始浓度由3.33 mg/L增至11.10 mg/L时, 降解半衰期由2.9 d增至3.4 d.当水体中有过多碳源时, 会明显抑制LAS生物降解(半衰期增至9 d).由Pearson相关性分析可知LAS与曝气和初始浓度显著相关, 而与pH值相关性不显著.

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