CN109045553B - 利用微生物介导的Fenton反应降解多溴联苯醚的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，它涉及生物降解技术领域。其步骤为：先将奥奈达希瓦氏菌在LB液体培养基中培养至稳定期，再将多溴联苯醚母液严格按照无菌操作加入无机盐培养基中，按1％接种比例将奥奈达希瓦氏菌接种至含有多溴联苯醚的无机培养基中，进行好氧厌氧交替操作，采用有机溶剂萃取多溴联苯醚后测定其降解率。本发明简单易行，稳定高效，中性条件下降解多溴联苯醚，降解速率高，处置成本低，不会产生二次污染，生态环保。

Description

利用微生物介导的Fenton反应降解多溴联苯醚的方法
技术领域
本发明涉及的是利用微生物的生物降解技术领域，具体涉及一种在实验室模拟的条件下利用奥奈达希瓦氏菌介导的Fenton反应降解多溴联苯醚的方法。
背景技术
多溴联苯醚(Polybrominated Diphenyl Ethers，简称PBDEs)作为全世界用量最大的溴系阻燃剂，被大量地用于电子电器、家具、纺织、化工等行业，2001年PBDEs的全球消耗量已经达到67440吨。由于PBDEs是一种添加型阻燃剂，没有化学键的束缚，在生产、使用和报废过程中，它通过蒸发和泄漏过程进入环境，随着大气和水体的迁移而造成广泛的污染。
PBDEs理论上共有209种不同的同系物，但五溴联苯醚、八溴联苯醚和十溴联苯醚是商业生产和使用的主要阻燃剂，且十溴联苯醚的使用量排在前几位。PBDEs的化学式为C12H(0-9)Br(10-1)O，其中氢和溴原子的总和为10，PBDEs具有潜在的毒性，具有生物累积性和持久性，可以远距离传输。由于其高亲脂性和低水溶性，很容易在沉积物中聚集。
目前，PBDE的处理方法主要有光降解、零价铁法、生物降解，Fenton法等：(1)光降解主要机理为还原脱溴，但其降解速率慢，且会生成多溴二苯并二噁英(PBDDs)及多溴二苯并呋喃(PBDFs)，造成二次污染。
(2)零价铁法主要机理为铁的还原，微电解及物理吸附，但其产生的絮状铁氢氧化物不易处理。
(3)生物降解主要分为厌氧降解、好氧降解和混合微生物功能群降解三种，其周期长，降解效率较低，不适合工程化应用。
(4)Fenton法主要机理是在酸性条件下，H2O2与Fe(II)共存时，生成具有极强的氧化能力羟基自由基·OH，可以氧化降解有机物；此法是目前处理工业废水使用较多的方法，因其具有较高的强氧化性，因而对于处理难挥发难生物降解物质具有很大的优势，同时，Fenton法还具有反应彻底、无二次污染、无选择性、反应条件相对温和、操作管理简单方便、工程化应用成熟等诸多优点。但Fenton氧化技术在有效降解有机污染物的同时也会产生大量的含铁污泥，造成亚铁离子的流失，含铁污泥一般作为危险废物进行处理，处理费用较高；且在Fenton体系中过氧化氢是羟基自由基的前体物，其投加量直接影响羟基自由基的产量，因此，H2O2所占运行费用的比例较大。
综上，现有的降解多溴联苯醚的方法或降解速率低、或处置成本高、或易产生不容易处理的二次污染物，基于此，利用奥奈达希瓦氏菌在实验室模拟条件下对多溴联苯醚降解情况的研究和优化尤为必要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，降解速率高，处置成本低，不会产生二次污染，生态环保，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其步骤为：
(1)先将奥奈达希瓦氏菌在LB液体培养基中培养至稳定期OD600＝1.5；
(2)再将多溴联苯醚母液严格按照无菌操作加入无机盐培养基中；
(3)按1％接种比例将奥奈达希瓦氏菌接种至含有多溴联苯醚的无机培养基中，进行好氧厌氧交替操作；
(4)采用有机溶剂萃取多溴联苯醚后测定其降解率。
作为优选，所述的步骤(1)中LB液体培养基的配方为蛋白胨10g/L、酵母浸膏粉5g/L、NaCl 10g/L，调节pH为7.0，高温灭菌。
作为优选，所述的步骤(2)中的多溴联苯醚母液由BDE-209粉末溶于DMSO配制而成，其终浓度为5ppm。
作为优选，所述的步骤(2)中无机盐培养基的配方为柠檬酸铁2.449g/L、NaOH0.3g/L、NH4Cl 1.5g/L、KCl 0.1g/L、NaH2PO4 0.6g/L、Na2SO4 0.213g/L、Mineral Mix培养基10ml/L、Amino Acid Mix培养基10ml/L、Vitamin Mix培养基10ml/L、乳酸钠(2mol/L)10ml/L、CaCl2 0.1g/L、FeSO4·7H2O 0.05g/L；其中Mineral Mix培养基的配方为NTA 1.5g/L、MgSO4 3g/L、MnSO4·H2O 0.5g/L、NaCl 1g/L、CoCl2·6H2O 0.1g/L、ZnCl2 0.13g/L、CuSO4·5H2O 0.01g/L、AlK(SO4)2·12H2O 0.01g/L、H3BO3 0.01g/L、Na2MoO4 0.025g/L、NiCl2·6H2O0.025g/L、Na2WO4·2H2O 0.025g/L；Amino Acid Mix培养基的配方为L-谷氨酸2g/L、L-精氨酸2g/L、D-L-丝氨酸2g/L；Vitamin Mix培养基的配方为生物素0.002g/L、叶酸0.002g/L、盐酸吡哆醇0.01g/L、核黄素0.005g/L、硫胺素0.005g/L、烟酸0.005g/L、泛酸0.005g/L、B-120.0001g/L、对氨基苯甲酸0.005g/L、硫辛酸0.005g/L。
作为优选，所述的步骤(3)中好氧厌氧交替操作首先在灭菌前对培养基进行除氧，在厌氧环境中，培养24h后通氧3h，依此循环至78h。
作为优选，所述的步骤(4)中有机溶剂采用甲醇、二氯甲烷、正己烷、DMSO。
本发明的有益效果：本方法简单易行，稳定高效，中性条件下降解多溴联苯醚，降解速率高，大大减少了运行费用，处置成本低，且不会产生二次污染，生态环保。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明在78小时内，空白培养基①、加菌及鼠李糖脂培养基(不通氧)②、加菌及鼠李糖脂培养基(通氧)③、加菌培养基(通氧)④内BDE209的浓度变化对比图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1，本具体实施方式采用以下技术方案：利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其步骤为：
(1)先将奥奈达希瓦氏菌在LB液体培养基中培养至稳定期OD600＝1.5；
(2)再将多溴联苯醚母液严格按照无菌操作加入无机盐培养基中；
(3)按1％接种比例将奥奈达希瓦氏菌接种至含有多溴联苯醚的无机培养基中，进行好氧厌氧交替操作；
(4)采用有机溶剂萃取多溴联苯醚后测定其降解率。
值得注意的是，所述的步骤(1)中LB液体培养基的配方为蛋白胨10g/L、酵母浸膏粉5g/L、NaCl 10g/L，调节pH为7.0，高温灭菌。
值得注意的是，所述的步骤(2)中的多溴联苯醚母液由BDE-209粉末溶于DMSO配制而成，其终浓度为5ppm。所述的无机盐培养基的配方为柠檬酸铁2.449g/L、NaOH 0.3g/L、NH4Cl 1.5g/L、KCl 0.1g/L、NaH2PO4 0.6g/L、Na2SO4 0.213g/L、Mineral Mix培养基10ml/L、Amino Acid Mix培养基10ml/L、Vitamin Mix培养基10ml/L、乳酸钠(2mol/L)10ml/L、CaCl20.1g/L、FeSO4·7H2O 0.05g/L；其中Mineral Mix培养基的配方为NTA 1.5g/L、MgSO4 3g/L、MnSO4·H2O 0.5g/L、NaCl 1g/L、CoCl2·6H2O 0.1g/L、ZnCl2 0.13g/L、CuSO4·5H2O 0.01g/L、AlK(SO4)2·12H2O 0.01g/L、H3BO3 0.01g/L、Na2MoO4 0.025g/L、NiCl2·6H2O 0.025g/L、Na2WO4·2H2O 0.025g/L；Amino Acid Mix培养基的配方为L-谷氨酸2g/L、L-精氨酸2g/L、D-L-丝氨酸2g/L；Vitamin Mix培养基的配方为生物素0.002g/L、叶酸0.002g/L、盐酸吡哆醇0.01g/L、核黄素0.005g/L、硫胺素0.005g/L、烟酸0.005g/L、泛酸0.005g/L、B-12 0.0001g/L、对氨基苯甲酸0.005g/L、硫辛酸0.005g/L。
值得注意的是，所述的步骤(3)中好氧厌氧交替操作首先在灭菌前对培养基进行除氧，在厌氧环境中，培养24h后通氧3h，依此循环至78h。
此外，所述的步骤(4)中有机溶剂采用甲醇、二氯甲烷、正己烷、DMSO，使用高效液相色谱法检测多溴联苯醚的降解率，对微生物的生长情况考察使用紫外分光光度法。
本具体实施方式利用奥奈达希瓦氏菌(Shewanclla oneidensis MR-1)介导的Fenton反应降解多溴联苯醚，可以在厌氧和好氧条件下分别产生二价铁([Fe(II)])和过氧化氢(H2O2)，二者可促成Fenton反应：奥奈达希瓦氏菌在厌氧期内，通过还原Fe(III)产生Fe(II)，而在好氧阶段，奥奈达希瓦氏菌通过呼吸作用产生H2O2，Fe(II)与H2O2通过费顿反应生成羟基自由基，然后经过氧化反应来降解有机污染物，其反应式为：Fe(II)+H2O2→Fe(III)+OH-+HO·，其中，Fe(II)被氧化为Fe(III)。利用奥奈达希瓦氏菌在好氧-厌氧循环下，仅投加少量Fe(III)即可持续进行Fenton反应，且无需额外添加H2O2，形成强氧化环境，降解多溴联苯醚。
本具体实施方式使用奥奈达希瓦氏菌对多溴联苯醚的降解率，具体步骤是将在上述降解前和降解后的培养液，经有机溶剂萃取后，通过高效液相色谱测定对多溴联苯醚的降解率，并对结果进行分析：当步骤(3)的生物降解条件为好氧厌氧循环培养，厌氧环境培养24h后通氧，持续循环78h，多溴联苯醚的降解能力达到57.49％，得到了绿色、有效的降解，说明利用奥奈达希瓦氏菌降解多溴联苯醚的方法是有效且可行的。
本具体实施方式简单易行，稳定高效，中性条件下降解多溴联苯醚，具有效果显著、速率快的优势，且不产生二次污染，方法成本较低，大大减少了其运行费用，生态环保。
实施例1：利用微生物介导的Fenton反应降解多溴联苯醚的方法，其步骤为：
(1)将奥奈达希瓦氏菌在LB液体培养基中培养至稳定期(OD600＝1.5)，LB培养基的配方为蛋白胨10g/L，酵母浸膏粉5g/L，NaCl 10g/L，调节pH为7.0，高温灭菌。
(2)将多溴联苯醚母液严格按照无菌操作加入无机盐培养基中；多溴联苯醚母液由BDE-209粉末溶于DMSO配制而成，其终浓度为5ppm；将柠檬酸铁溶于一定量的纯水中(加热至60℃以上，边加热边搅拌助溶)，用NaOH溶液调节pH＝5.8，配制成2.449g/L柠檬酸铁溶液，再加入NaOH 0.3g/L、NH4Cl 1.5g/L、KCl 0.1g/L、NaH2PO4 0.6g/L、Na2SO4 0.213g/L、Mineral Mix培养基10ml/L、Amino Acid Mix培养基10ml/L、Vitamin Mix培养基10ml/L、乳酸钠(2mol/L)10ml/L、CaCl2 0.1g/L、FeSO4·7H2O 0.05g/L配制无机培养基；对培养基进行除氧操作，然后进行灭菌。
(3)按1％接种比例将奥奈达希瓦氏菌接种至含有多溴联苯醚的无机培养基中，在厌氧环境中，培养24h后通氧3h，依此循环至78h。
(4)使用高效液相色谱法检测多溴联苯醚的降解率，对微生物的生长情况考察使用紫外分光光度法。短期内其降解率可达57.49％。
实施例2：利用微生物介导的Fenton反应降解多溴联苯醚的方法，其步骤为：
(1)将奥奈达希瓦氏菌在LB液体培养基中培养至稳定期(OD600＝1.5)，LB培养基的配方为蛋白胨10g/L，酵母浸膏粉5g/L，NaCl 10g/L，调节pH为7.0，高温灭菌。
(2)将多溴联苯醚母液严格按照无菌操作加入无机盐培养基中；多溴联苯醚母液由BDE-209粉末溶于DMSO配制而成，其终浓度为5ppm；将柠檬酸铁溶于一定量的纯水中(加热至60℃以上，边加热边搅拌助溶)，用NaOH溶液调节pH＝5.8，配制成2.449g/L柠檬酸铁溶液，再加入NaOH 0.3g/L、NH4Cl 1.5g/L、KCl 0.1g/L、NaH2PO4 0.6g/L、Na2SO4 0.213g/L、Mineral Mix培养基10ml/L、Amino Acid Mix培养基10ml/L、Vitamin Mix培养基10ml/L、乳酸钠(2mol/L)10ml/L、CaCl2 0.1g/L、FeSO4·7H2O 0.05g/L配制无机培养基；对培养基进行除氧操作，然后进行灭菌。
(3)按1％接种比例将奥奈达希瓦氏菌接种至含有多溴联苯醚的无机培养基中，加入过滤灭菌后的5ml鼠李糖脂溶液(2g/L)，在厌氧环境中，培养24h后通氧3h，依此循环至78h。
(4)使用高效液相色谱法检测多溴联苯醚的降解率，对微生物的生长情况考察使用紫外分光光度法。短期内其降解率可达53.89％。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其特征在于，其步骤为：
(1)先将奥奈达希瓦氏菌MR-1在LB液体培养基中培养至稳定期OD600＝1.5；
(2)再将多溴联苯醚母液严格按照无菌操作加入无机盐培养基中；
(3)按1％接种比例将奥奈达希瓦氏菌MR-1接种至含有多溴联苯醚的无机培养基中，进行好氧厌氧交替操作；
(4)采用有机溶剂萃取多溴联苯醚后测定其降解率。
2.根据权利要求1所述的利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中LB液体培养基的配方为蛋白胨10g/L、酵母浸膏粉5g/L、NaCl 10g/L，调节pH为7.0，高温灭菌。
3.根据权利要求1所述的利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的多溴联苯醚母液由BDE-209粉末溶于DMSO配制而成，其终浓度为5ppm。
4.根据权利要求1所述的利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中无机盐培养基的配方为柠檬酸铁2.449g/L、NaOH0.3g/L、NH4Cl 1.5g/L、KCl 0.1g/L、NaH2PO4 0.6g/L、Na2SO4 0.213g/L、Mineral Mix培养基10ml/L、Amino Acid Mix培养基10ml/L、Vitamin Mix培养基10ml/L、浓度为2mol/L的乳酸钠10ml/L、CaCl2 0.1g/L、FeSO4·7H2O 0.05g/L；
所述Mineral Mix培养基的配方为NTA 1.5g/L、MgSO4 3g/L、MnSO4·H2O 0.5g/L、NaCl1g/L、CoCl2·6H2O 0.1g/L、ZnCl2 0.13g/L、CuSO4·5H2O 0.01g/L、AlK(SO4)2·12H2O0.01g/L、H3BO3 0.01g/L、Na2MoO4 0.025g/L、NiCl2·6H2O 0.025g/L、Na2WO4·2H2O 0.025g/L；
所述Amino Acid Mix培养基的配方为L-谷氨酸2g/L、L-精氨酸2g/L、D-L-丝氨酸2g/L；
所述Vitamin Mix培养基的配方为生物素0.002g/L、叶酸0.002g/L、盐酸吡哆醇0.01g/L、核黄素0.005g/L、硫胺素0.005g/L、烟酸0.005g/L、泛酸0.005g/L、B-12 0.0001g/L、对氨基苯甲酸0.005g/L、硫辛酸0.005g/L。
5.根据权利要求1所述的利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中好氧厌氧交替操作首先在灭菌前对培养基进行除氧，在厌氧环境中，培养24h后通氧3h，依此循环至78h。
6.根据权利要求1所述的利用微生物介导的Fenton反应在中性条件下降解多溴联苯醚的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中有机溶剂采用甲醇、二氯甲烷、正己烷、DMSO。
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