杞柳對水中2, 4-二氯苯酚的降解.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-杞柳對水中2,4-二氯苯酚的降解施翔1,2，陳益泰1*，段紅平21.中國林科院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江富陽311400；2.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南昆明650201摘要：通過在人工配制的含有2,4-二氯苯酚（2,4-DCP,2,4-Dichlorophenol）的營養(yǎng)液中培養(yǎng)杞柳（Salixintegra），研究了杞柳在不同處理條件下對水溶液中2,4-DCP的去除效率，并探討了其對2,4-DCP降解的動力學過程。結(jié)果表明，在抑菌和不抑菌處理條件下，杞柳對水溶液中的2,4-DCP有促進降解的作用，在96h內(nèi)杞柳對20mgL-1的2,4-DCP去除效率分別為：76.9%、81.1%，并且對2,4-DCP的去除都符合一級動力學方程；而沒有杞柳生長的水體中2,4-DCP的降解率為0%。2,4-DCP的植物吸收降解、微生物降解對2,4-DCP去除的貢獻率約為：92.57、7.43。在模擬光照下，杞柳在48h內(nèi)能去除水中約52.37%的2,4-DCP。同時，根系組織中多酚氧化酶和過氧化物酶活性受到了2,4-DCP明顯的抑制。試驗所采用的質(zhì)量濃度對杞柳沒有產(chǎn)生毒害作用，表明杞柳是修復水中2,4-DCP較好的材料。關(guān)鍵詞：杞柳；2,4-二氯苯酚；動力學；降解中圖分類號：X173文獻標識碼：A文章編號：1672-2175（2008）02-0500-06環(huán)境中氯酚類化合物主要來源于大量生產(chǎn)和使用的殺蟲劑與除草劑，焚燒廢棄物，造紙，水質(zhì)處理等等。氯酚類化合物具有致癌、致畸、致突變的潛在毒性1-2。2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）廣泛存在于生產(chǎn)氯代芳香化合物的廢水中，此外也存在于染料和增塑劑等的生產(chǎn)廢水中。2,4-DCP及其衍生物都是有毒、難降解化合物，是環(huán)保中需要控制的一大類污染物。美國、中國等國家已把2,4-DCP列入水中有害物質(zhì)或優(yōu)先污染物“黑名單”3。目前，氯酚的去除方法主要有物理化學法和生物法，如活性炭吸附、化學氧化、光催化和好氧厭氧生物降解4-9?，F(xiàn)在有效的物理化學方法成本比較高，并且在治理后要注意防止環(huán)境的二次污染問題4。微生物降解對環(huán)境條件的要求較苛刻，微生物群落間的相互競爭、溫度、營養(yǎng)物等都會影響去除效果，因此很難利用微生物修復低濃度的污染物2。相對于傳統(tǒng)的物理化學法和生物法，植物修復是一種新型、經(jīng)濟、有效、非破壞型的修復方式，被認為是一種有潛力的污染修復技術(shù)10。有研究表明植物是修復水中酚類化合物的有效材料，其體內(nèi)組織中含有能夠解毒的過氧化物酶11。目前許多研究人員展開了植物對2,4-DCP的去除研究，但大多以草本植物和農(nóng)作物為主12-14。相比于草本植物，木本植物特別是高大的喬木具有生物量大，不參與食物鏈的優(yōu)點。柳樹是一種落葉喬木，速生樹種，適應性強，易繁殖，在美國、德國、英國和瑞典等國家已經(jīng)作為一種生物能源作物。目前柳樹主要應用在石油烴和多環(huán)芳烴的修復，利用柳樹對水中2,4-DCP進行修復的報道僅有一篇15。本試驗通過本實驗室前期預試驗，選用材用與觀賞兼用的杞柳（Salixintegra）為材料，研究了其促進2,4-DCP降解的動力學過程，探討了2,4-DCP在水中的降解機理，為植物修復有機污染水體的研究與應用提供理論依據(jù)。1材料與方法1.1試驗材料和儀器杞柳采集自山東。試驗前將杞柳插條（長度約為8cm）扦插置于直徑大約15cm的圓桶內(nèi)的泡沫板上，往桶中注入改良的霍格蘭營養(yǎng)液（Hoaglandsolution）進行培養(yǎng)，連續(xù)不斷充氣，自然光照，溫度為2530。在培養(yǎng)過程中維持pH處理，6周后，選擇生長相似的杞柳進行處理。2,4-DCP標準品由Sigma公司提供，2,4-DCP分析純由上海國藥集團提供；二氯甲烷、甲醇（以上均為色譜純，上海國藥）、丙酮、氯化鈉、濃硫酸、無水硫酸鈉、兒茶酚、愈創(chuàng)木酚、過氧化氫（以上均為分析純，上海國藥）、氨芐青霉素（上海生工）。Agilent6890N氣相色譜儀配FID檢測器，J&WDB-1701毛細管柱(30m0.32mm0.25m)（美國Agilent公司），AF2104S型萬分之一電子天平，723型分光光度計(以上均為上海精密儀器廠)，5804R高速冷凍離心機（德國eppenderf公司）。1.2試驗方法Hoagland營養(yǎng)液成分如下：KNO30.51gL-1，Ca(NO3)20.82gL-1，MgSO47H2O0.49gL-1，KH2PO40.136gL-1，F(xiàn)eSO40.6mgL-1，H3BO32.86mgL-1，MnCl24H2O1.81mgL-1，ZnSO47H2O0.22施翔等：杞柳對水中2,4-二氯苯酚的降解501mgL-1，(NH4)6Mo7O240.45mgL-1，EDTA0.744mgL-1。為抑制藻類的生長。營養(yǎng)液中還加入10mgL-1CuSO416。以甲醇作為助溶劑，配制含有2,4-DCP的Hoagland培養(yǎng)液各兩份，其中一份再加入氨芐青霉素10mgL-1以抑制微生物但不影響植物的生長17得到營養(yǎng)液A，另一份則作為不抑菌處理的營養(yǎng)液B。以直徑大約15cm的圓桶為培養(yǎng)容器。選擇莖長大約50cm的杞柳移入圓桶中，每個圓桶移入5株，加入1.5L含20mgL-12,4-DCP的營養(yǎng)液。試驗分為以下6個處理：.杞柳，營養(yǎng)液A，主要考察杞柳的吸收降解作用；.杞柳，營養(yǎng)液B，主要考察杞柳和水中微生物的聯(lián)合作用；.營養(yǎng)液A，主要是酚類物質(zhì)的自身降解作用；.營養(yǎng)液B，主要考察微生物的降解作用；.營養(yǎng)液A+杞柳根5g，主要考察根系分泌物的作用；.營養(yǎng)液B+杞柳根5g，主要考察根系分泌物和微生物的作用。每個處理組設3個重復試驗。試驗期間，通過加入鹽酸或NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值，使之維持在56之間，適宜植物生長。在培養(yǎng)的6、24、48、72、96h分別隨機取每個處理組的3個樣，測定溶液中2,4-DCP的含量，同時測定處理和處理中杞柳根系多酚氧化酶和過氧化物酶的活性。試驗時將圓桶密封并且涂成黑色，以免2,4-DCP光解和自然揮發(fā)，同時在前四個處理中另設10mgL-1的處理，于96h后取樣測定溶液中2,4-DCP的含量。另做自然光照下對柳樹2,4-DCP的去除效果研究。在250mL的三角瓶中加入200mL含20mgL-12，4-DCP的Hoagland營養(yǎng)液A。向三角瓶中移入莖長大約50cm的杞柳。用軟木塞將瓶口封住，將三角瓶放置在日光燈下，光照強度為1660lx。同時設置空白對照，即用錫紙遮光。于48h后取水樣分析2,4-DCP的含量。1.3樣品分析1.3.1水樣預處理取水樣50mL置250mL分液漏斗中，用硫酸調(diào)pH值至23，加入3g氯化鈉，搖動使其溶解。然后加入25mL二氯甲烷萃取，分離有機相。再向水相中分別加入10、10、5mL二氯甲烷各萃取一次，合并四次有機相。萃取液經(jīng)鋪有無水硫酸鈉層的漏斗脫水后直接進氣譜分析。1.3.2色譜條件色譜柱：毛細管柱J&WDB-1701，氫氣流量：30.0mLmin-1，尾吹氣流量：25.0mLmin-1，流量：2.0mLmin-1，分流比：21，進樣口溫度：250，檢測器(FID)溫度：250、程序升溫，在90保持1min，然后以6min-1升到190。1.3.3多酚氧化酶（PPO）和過氧化物酶（POD）活性的測定多酚氧化酶和過氧化物酶酶液的提取按照將益虹的方法進行18。PPO活性的測定：酶反應體系包括3.9mLpH6.0的磷酸緩沖液，1mL0.2molL-1兒茶酚、0.2mL酶液，反應體系加入酶液后混勻，于37保溫10min后，在波長410nm處測定吸光度的變化值，即A410每隔30s記錄1次吸光度，共記錄3min。酶的比活力（0.01A/g(鮮質(zhì)量)，min）=A/0.01WtD式中A為反應時間內(nèi)吸光度的變化；W為植物樣鮮質(zhì)量(g)；t為反應時間；D為稀釋倍數(shù)。由于酶的比活力與A410值成正比，因此，本試驗以A410值變化表示PPO活性的變化。POD酶活性的測定：酶反應體系包括0.5mL愈創(chuàng)木酚，100mL0.2molL-1pH8.0的磷酸緩沖液，取酶液50L加入3mL反應液中，加入20LH2O2反應，于37保溫10min后，在波長470nm處測定吸光度的變化值，即A470（每隔30s記錄1次吸光度，共記錄3min），同樣本試驗以A值變化表示POD活性的變化。1.3.4數(shù)據(jù)分析使用DPS7.05和Excel2003進行統(tǒng)計分析，用OriginPro7.5作圖，數(shù)據(jù)以平均值標準差(meanSD)來表示。2,4-DCP的去除效率=(水中起始-處理組剩余)/水中起始100-(水中起始-對照最剩余)/水中起始100%2結(jié)果2.12,4-DCP的降解過程各處理組質(zhì)量濃度的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，處理組杞柳+營養(yǎng)液A和杞柳+營養(yǎng)液B中2,4-DCP的質(zhì)量濃度都下降顯著，分別由20.0mgL-1降至4.62mgL-1和3.78mgL-1；處理組營養(yǎng)液A和處理組營養(yǎng)液B的質(zhì)量濃度基本上沒有變化，主要是因為2,4-DCP具有兩個氯取代基,自身降解難度大。處理組營養(yǎng)液A+根系中2,4-DCP的質(zhì)量濃度由20mgL-1降至14.11mgL-1；處理組營養(yǎng)液B+根系中2,4-DCP的質(zhì)量濃度由20mgL-1降至13.43mgL-1。2,4-DCP的下降速率分別為3.845、4.055、0、0、1.473、1.643mgL-1d-1。A502生態(tài)環(huán)境第17卷第2期（2008年3月）根據(jù)一級動力學反應方程Ct=C0e-kt對除空白對照組外的四個處理組質(zhì)量濃度下降過程進行擬合，方程中Ct為某一時刻水溶液中2,4-DCP的質(zhì)量濃度，mgL-1；C0為2,4-DCP的起始添加質(zhì)量濃度，mgL-1；k為降解速率常數(shù)，h-1；t為時間，h。四個處理組降解速率常數(shù)及方程見表1。根據(jù)T1/2=ln2/k計算2,4-DCP在各處理組的降解半衰期，其中k為降解常數(shù)。從圖1和表1可以看出，不同處理下杞柳對2,4-DCP的降解呈現(xiàn)不同的降解規(guī)律，但各處理組的降解均符合一級動力學反應方程，在以上四個處理中，2,4-DCP的降解快慢由大到小的順序為杞柳+營養(yǎng)液B，杞柳+營養(yǎng)液A，根系+營養(yǎng)液B，根系+營養(yǎng)液A，降解半衰期分別為46.83、50.59、210.04、223.60h，說明在不同的處理條件下，2,4-DCP的降解速率有所不同。2.2不同環(huán)境條件下杞柳對2,4-DCP去除效果的比較各處理組的去除效率見圖2，各處理組去除效率分別為76.9%、81.1%、0、0、29.5%、32.9%。通過對各組數(shù)據(jù)進行單因素方差檢驗，杞柳處理組和根系處理組水中2,4-DCP的去除率與空白對照組的存在顯著差異（LSD比較，p0.01），說明杞柳和根系對水中2,4-DCP降解有明顯的促進作用。但根系處理組之間不存在顯著性差異，而杞柳處理組之間在p=0.05水平上有顯著差異，說明微生物降解和根際降解并不是本體系去除水中2,4-DCP的主要途徑。由圖3可知，在抑菌和不抑菌的條件下杞柳對10、20mgL-1的2,4-DCP去除效率分別為73.05%、91.1%、76.9%、81.1%；對照組的去除效率則分別為0.04%、0.03%、0、0。2,4-DCP的下降速率分別為1.87、2.30、3.85、4.06mgL-1d-1，去除效率隨著2,4-DCP質(zhì)量濃度的升高而降低，降解速率隨著質(zhì)量濃度的升高而升高。由圖4可知，在模擬光照條件下，各處理組中2,4-DCP的質(zhì)量濃度在48h內(nèi)分別由20mgL-1下降到了9.53和16.53mgL-1，去除效率為52.37%、18.25%。而避光環(huán)境下，48h內(nèi)對照組的去除效率分別為41.60%、0%，表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用。2.3多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(POD)活性的變化多酚氧化酶和過氧化物酶被認為是氧化酚類化合物的重要酶。2,4-DCP對杞柳根系PPO的活性影響見圖5。由圖可知，在前24h（杞柳+營養(yǎng)液B處理組是前48h）表12,4-DCP在不同處理中的降解參數(shù)及方程Table1Kineticsandparametersof2,4-DCPindifferentcontrols處理降解動力學方程Ct=C0e-kt相關(guān)系數(shù)R2降解速率常數(shù)/h-1半衰期/h杞柳+營養(yǎng)液ACt=20.213e-0.0137t0.95340.013750.59杞柳+營養(yǎng)液BCt=18.768e-0.0148t0.93150.014846.83根系+營養(yǎng)液ACt=19.672e-0.0031t0.94680.0031223.60根系+營養(yǎng)液BCt=19.913e-0.0033t0.83100.0033210.040.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%100.00%柳樹+營養(yǎng)液A柳樹+營養(yǎng)液B營養(yǎng)液A營養(yǎng)液B處理去除率10mgL-120mgL-1圖3杞柳對不同初始濃度2,4-DCP的去除效果Fig.3Comparisonof2,4-DCPremovalwithdifferentinitialconcentrationsbySalixintegra0510152025020406080100120t/h2，4-二氯苯酚質(zhì)量濃度/(mgL-1)杞柳+營養(yǎng)液A杞柳+營養(yǎng)液B營養(yǎng)液A營養(yǎng)液B根系+營養(yǎng)液B根系+營養(yǎng)液B圖1杞柳促進2,4-DCP降解的動力學過程Fig.1Kineticsprocessof2,4-DCPdegradationbySalixintegra0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%杞柳+營養(yǎng)液A杞柳+營養(yǎng)液B營養(yǎng)液A營養(yǎng)液B根系+營養(yǎng)液A根系+營養(yǎng)液B處理去除率圖2各處理組對2,4-DCP的去除效果Fig.2Comparisonof2,4-DCPremovalindifferenttreatments施翔等：杞柳對水中2,4-二氯苯酚的降解5032,4-DCP對PPO表現(xiàn)出強烈的抑制作用，表明PPO對于2,4-DCP是相當敏感的，隨后酶活性逐漸上升。最后兩個處理的柳樹根系酶活性趨于一致。2,4-DCP對杞柳根系POD活性的影響見圖6。由圖可知，在前48h2,4-DCP對POD表現(xiàn)出強烈的抑制作用，表明POD對于2,4-DCP是相當敏感的，隨后在營養(yǎng)液B中柳樹根系的POD活性在72h后趨于平穩(wěn)。而在營養(yǎng)液A中柳樹根系的POD活性則表現(xiàn)為激活-抑制效應。同PPO的變化一樣，最后兩個處理的酶活性趨于一致。多酚氧化酶和過氧化物酶活性的下降趨勢與水中2,4-DCP的下降一致。3討論柳樹具有高效吸收宏量或微量元素能力，有高生物量，能夠有效地吸收營養(yǎng)，高蒸騰效率，這些特點使杞柳適合作為過濾器，來凈化污水19-20。從本研究的結(jié)果可以看出，杞柳對含有2,4-DCP的水體有著較好的去除效率，表明杞柳修復有機污染水體方面有著良好的應用前景。目前有研究表明，有機污染物的去除主要通過兩條途徑21，一條途徑是揮發(fā)到空氣中或者被植物吸收轉(zhuǎn)移到莖葉；另一條去除途徑是通過礦化或者通過微生物和植物降解。從動力學研究來看，在理想狀態(tài)下，營養(yǎng)液中2,4-DCP的總降解常數(shù)是各降解途徑的降解常數(shù)之和22，故處理組杞柳+營養(yǎng)液A()與抑菌空白對照組()的降解常數(shù)之差即為杞柳吸收與降解引起的營養(yǎng)液中2,4-DCP降解速率常數(shù)，而處理組杞柳+營養(yǎng)液B()與處理組杞柳+營養(yǎng)液A()之差可認為由微生物引起的營養(yǎng)液中2,4-DCP降解速率常數(shù)，(-)/即為杞柳本身的吸收與降解對營養(yǎng)液中2,4-DCP降解的貢獻率，(-)/則為微生物降解引起的營養(yǎng)液中2,4-DCP降解的貢獻率。由此計算得到杞柳的吸收與降解和微生物降解水中2,4-DCP的貢獻率分別為92.57%、7.43%，可以看出，微生物在修復水中2,4-DCP的作用比較小，杞柳對水中2,4-DCP的吸收、積累和降解起絕對重要作用。按照上面的方法可計算杞柳根系降解水中2,4-DCP的貢獻率為22.63%，說明根系降解并不是