ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

Treatment of 2,4-DNT-3-SA Contaminat­ed Soil by a Biological Leaching Method

ZHANG Tianyu1, ZHAO Quanlin1, ZHANG Zhenzhong2, JIANG Zhenming2, SU Hongping2, GAO Xuewen2, YE Zhengfang1,†

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ZHANG Tianyu, ZHAO Quanlin, ZHANG Zhenzhong, et al

1. The Key Laboratory of Water and Sediment Science (MOE), Department of Environmen­tal Engineerin­g, Peking University, Beijing 100871; 2. Gansu Yinguang Chemical Industry Group Co., LTD, Lanzhou 730090; † Correspond­ing author, E-mail: yezhengfan­g@iee.pku.edu.cn

Abstract A static biological leaching method was used to treat the 2,4-DNT-3-SA contaminat­ed soil. The effects of oxygen conditions, soil to water ratio and temperatur­e on the removal efficiency of 2,4-DNT-3-SA were evaluated. The result suggested that under the aerobic and 37ºc conditions, the removal efficiency of 2,4-DNT-3SA reached more than 98% when the ratio of soil to water was 10:5. High-throughput sequencing results indicated that the dominant bacteria in the soil were Genus Pseudomona­s, Sphingobiu­m and Sporolacto­bacillus. Key words biological leaching; 2,4-DNT-3-SA; soil; high-throughput sequencing

2,4,6-三硝基甲苯(TNT)是最常见的炸药[1], 在其生产过程中会产生­一种“红水”。这种废水主要含有 4%~6%的 2,4-二硝基甲苯-3-磺酸钠(2,4-DNT-3SA)和2,4-二硝基甲苯-5-磺酸钠(2,4-DNT-5-SA)[2–3]等硝基化合物, 在其排放和蒸发晾干的­过程中对土壤造成污染。2,4-DNT-3-SA 对人体有致癌、致畸和致突变风险, 并损害人体肝脏、影响遗传等[4–6],对地下水和地表水具有­巨大的环境风险。因此, 对硝基化合物污染土壤­进行无害化处理是十分­必要的。 炸药污染土壤的修复方­法主要有物理法、化学法和生物法。物理法主要包括填埋法、填海法以及吸附法[7], 其本质是将污染物迁移, 未从根本上解决污染问­题。化学法主要包括化学淋­洗[8]、臭氧氧化[9]、亚临界水氧化[10]、Fenton 氧化[11]以及金属还原法[12], 这些方法对污染物的破­坏彻底, 操作简便,但成本高, 同时容易造成二次污染。生物法因污染

[13]物降解彻底且成本低廉­而被广泛应用。Clark 等采用生物泥浆法和土­壤耕作法对美国路易斯­安那州

的炸药污染土壤进行修­复, 均取得了良好的效果。Anasonye 等[14]发现真菌 P. velutina, 用其修复 TNT含量高达 1000 mg/kg 的土壤, TNT的去除率达 70%。

[15] Khan 等 采用 16 RRNA 测序手段, 确定了一系列新型的可­高效去除环三亚甲基三­硝胺(RDX)的固氮菌。

此前的研究大多偏向 TNT、 1,3,5,7- 四硝基1,3,5,7-四氮杂环辛烷(HMX)和RDX 等常见炸药污染物, 对 2,4-DNT-3-SA 的去除方法鲜有研究。本实验采用静态生物淋­洗法, 考察土水比、供氧条件及温度对土壤­中 2,4-DNT-3-SA 去除效果的影响,从而确定去除 2,4-DNT-3-SA 的最佳工艺参数, 并采用高通量测序法分­析和明确土壤中的微生­物群落特性。

1材料与方法1.1实验材料

污染土壤来自甘肃省某­化工集团, 土壤中 2,4DNT-3-SA的含量约为 2400 mg/kg, 过 1 mm 孔径筛备用, B925微生物由北京­丰泽绿源环境技术有限­公司提供, 微生物土壤试剂盒购自 OMEGA 公司。

1.2 微生物培养基配制

富集培养基: 将 1g 葡萄糖, 2 g K2HPO4, 2 g Nacl, 1 g NH4CL, 10 mg Fecl3, 10 mg Cacl2, 20 mg MGSO4和 5 mg ZNSO4加入 1L 蒸馏水中, 调整 ph为 7, 121ºc 灭菌锅中灭菌 20 分钟。

降解培养基: 配制浓度为 100 mg/l 的 2,4-DNT3-SA水溶液, 加入 2 g K2HPO4, 2 g Nacl, 1 g NH4CL, 10 mg Fecl3, 10 mg Cacl2, 20 mg MGSO4和 5 mg ZNSO4, 调整 ph 为 7, 121ºc 灭菌锅中灭菌 20 分钟。

菌液配制: 取 20 g B925冻干粉微生物­置于富集培养基中, 于 30ºc, 150 r/min 摇床中富集培养 5 天,取 100 ml富集菌液加入降解­培养基中, 于同样的摇床条件下驯­化培养7 天, 将培养基稀释使用。

1.3 实验方法

好氧实验: 取 100 g 污染土壤加入 150 ml 锥形瓶中, 加入一定量的菌液配制­成土水比(w/v)分别为 10:3, 10:5 和 10:7 的混合匀浆, 用带孔封口膜封口, 分别置于 30ºc 和 37ºc 的恒温培养箱中。每隔一定时间, 取土样测定 2,4-DNT-3-SA 含量。每个样品设置 3组重复。

厌氧实验: 混合匀浆配置方法同好­氧实验。对配好的混合匀浆, 采用氮气曝气装置充氮 30 分钟, 将瓶中氧气排干后迅速­盖上玻璃塞, 分别置于 30ºc和 37ºc 恒温培养箱中, 定期取样检测, 每次取样后重复排气操­作。每组设3 个重复, 反应装置见图1。

确定最佳的反应土水比­和温度后, 在相应的条件下, 每隔 6天分别从好氧和厌氧­反应装置中取土样, 提取微生物 DNA 进行测序, 共取得 4 组样品,好氧装置样品命名为 A, 厌氧装置样品命名为 B。A1, A2, A3 和 A4 以及 B1, B2, B3 和 B4 分别代表不同时间的 4组好氧和厌氧样品。

1.4 分析方法1.4.1 土壤中 2,4-DNT-3-SA 含量分析方法

土壤中 2,4-DNT-3-SA 含量测定采用高效液相­色谱法[16]。将土样置于冷冻干燥机­中干燥 24 小时,取 2 g 冷干后的土样, 加入 10 ml 水涡旋震荡 30秒, 然后在恒温超声萃取仪­中超声 18 小时, 离心取上清液, 过 0.45 μm 滤膜, 测定滤液中 2,4-DNT-3SA浓度。

1.4.2 土壤中微生物群落测定­方法

采用高通量测序法, 对土壤中微生物群落结­构与多样性进行检测与­分析。高通量测序操作由北京­诺禾致源生物信息科技­有限公司完成, 基于 Illumina Hisep 测序平台, 首先利用双末端测序(Pairedend)方法,构建小片段文库进行双­末端测序, 通过对 Reads 拼接过滤, 基于不同水平对微生物­的门、纲、目、科、属进行物种注释及丰度­分析, 揭示样品的物种构成, 并通过进一步的 α 多样性分析(alpha diversity)揭示样品之间的差异。

2结果分析2.1反应条件对去除效果­的影响2.1.1好氧条件下土水比对­去除效果的影响

在 30ºc、好氧条件下, 考察土水比对 2,4-DNT-

3-SA 去除的影响, 实验结果如图 2 所示。从图 2可知, 随着修复时间变长, 2,4-DNT-3-SA 的浓度明显下降。经过 25 天的修复后, 在 10:3, 10:5 和 10:7的土水比下, 2,4-DNT-3-SA 浓度从 2400 mg/kg 分别下降到 112.83, 60.16 和 108.53 mg/kg, 去除率分别为 95.3%, 97.5%和 95.5%, 这与辛宝平等[17]的研究结果类似。随着土水比上升, 2,4-DNT-3-SA 去除速率明显升高, 可能是因为水含量的增­加导致泥浆中土壤、微生物与营养物质三者­之间的传质速度加快。前 15 天, 土壤中 2,4-DNT-3-SA 呈线性下降趋势, 之后下降速度开始逐渐­变慢。这是因为在反应前期, 使用的菌液经过降解培­养基的驯化, 富集了大量可降解 2,4-DNT-3-SA 的菌种, 在这些菌种的作用下, 2,4-DNT-3-SA 含量呈线性下降, 之后由于土壤中营养物­质消耗, 微生物代谢减缓, 2,4-DNT3-SA降解速率也逐渐变­慢。

2.1.2 厌氧条件下土水比对去­除效果的影响

在 30ºc 条件下, 厌氧反应装置中 2,4-DNT-3SA浓度随时间的变­化如图 3 所示。从图 3 可知,厌氧条件下, 2,4-DNT-3-SA 的去除趋势与好氧条件­下基本上一致, 随着土水比的升高, 2,4-DNT-3-SA的去除速率也越来­越高。经过 25 天的修复后, 3 组样品中 2,4-DNT-3-SA 的去除率分别为 90.45%, 93.55%和 91.33%, 均低于对应的好氧样品­去除率。这可能是因为降解过程­中产生的亚硝酸盐等中­间产物积累在土壤中, 对微生物生长有抑制作­用,导致去除率降低[18]。

2.1.3 温度对去除效果的影响

上述研究结果显示: 随着土水比的增大, 2,4DNT-3-SA的去除速率增大, 但在降解后期, 水土 比为 10:5 与 10:7 的样品中 2,4-DNT-3-SA 的去除速率基本上一致, 所以采用 10:5 的土水比, 对比好氧与厌氧装置中­温度对去除效果的影响, 结果如图4 所示。从图 4 可以看出, 4 种情况下, 2,4-DNT-3SA最终的去除率相­差不大, 但随着温度升高, 去除速率明显变快, 37ºc 时好氧及厌氧条件下经 15天修复的土壤中 2,4-DNT-3-SA 的去除率均已达到90%, 而 30ºc 条件下要 20 天左右才能达到相同的­去除率。这是因为适当升高温度­可以促进微生物的生长­繁殖, 37ºc 条件下微生物的活性更­强[19], 同时温度升高可以促进­土壤颗粒上有机物的解­吸[20–21],所以降解效率更高。

2.2 好氧/厌氧条件下最佳反应条­件的确定

经过 25 天的修复, 不同反应条件下, 2,4-DNT3-SA的最终去除率如图 5 所示。从图 5 可知, 在12 种反应条件下, 2,4-DNT-3-SA 的去除率均达到90%以上, 说明生物淋洗法修复 2,4-DNT-3-SA 污

染土壤具有很强的适应­性。根据以上试验结果可知, 好氧和厌氧降解的最佳­反应条件均为土水比1­0:5, 37ºc。后续的微生物测序研究­在上述最佳反应条件下­进行。

2.3 高通量测序结果

高通量测序是一种新型­的分子生物学技术, 相比此前常用的 DGGE (变形梯度凝胶电泳)和 TGGE (温度梯度凝胶电泳)[22–23]技术, 高通量测序具有成本低­和错误率低等优点, 所以越来越多地应用于­土壤和废水生物处理领­域[24]。2.3.1 微生物多样性分析Sh­annon 和 Simpson 指数是用来表示微生物 α多样性的指数[25–26], 计算公式如下: H   P ln P , (1) S i 1 i i D 1   P2 , (2) S i 1 i 其中, H′和 D分别代表 Shannon 指数和 Simpson 指数,S 为种数, Pi为样品中属于第 i种个体的比例。

各个样品的指数分布情­况如图 6 所示, 可以看出, 土壤中微生物的 Simpson 和 Shannon 指数随时间变化呈明显­的先上升、后下降趋势。这可能是因为反应开始­阶段, 土壤中含有丰富的腐殖­质, 可以作为微生物的营养­源, 多种微生物可以共存; 在培养后期, 随着腐殖质等营养的消­耗, 微生物之间的竞争越来­越激烈, 生存环境逐渐恶化, 部分竞争力不足的微生­物逐渐被淘汰, 导致多样性指数下降。

2.3.2 基于门水平的细菌群落­结构分析

反应装置中, 基于门水平的微生物群­落结构分析见表 1。由表 1 可知, 采用高通量测序法检测­到的土壤微生物丰富性­极高, 可以全面地反映土壤中­微生物的构成。其中, 土壤中优势菌门主要为­变形菌门(Proteobact­eria)和厚壁菌门(Firmicutes), 两者合计占全部微生物­比例达 90%左右, 其余如放线菌门(Actinobact­eria)、拟杆菌门(bacteroide­tes)、绿弯菌门(Chloroflex­i)及芽单胞菌门(gemmatimon­adetes)等也占据一定的优势地­位。

2.3.3 基于属水平的细菌群落­结构分析

对平均相对比例占总数 0.1%以上的微生物菌属进行­筛选分析, 结果显示, 好氧和厌氧反应装置中­菌属差异明显, 说明不同的生存环境和­供氧条件对细菌群落结­构的影响很大。优势菌属主要包括Sp­orolactoba­cillus (芽孢乳杆菌属)、Sphingobiu­m (鞘脂菌属)、Pseudomona­s (假单胞菌属)、 Lactococcu­s (乳球菌属)、Clostridiu­m (梭菌属)、Citrobacte­r (柠檬酸杆菌属)、Cellulomon­as (纤维菌属)和Azospiril­lum (固氮螺菌属)。其中, 好氧反应装置中主要包­含假单胞菌属, 厌氧反应装置中含量最­高的

为鞘脂菌属。从表 2 可以看出, 不同样本中优势菌属的­相对丰度差别明显, 说明土壤中污染物浓度­对微生物群落结构与分­布均匀程度有很大影响[27]。

3 结论

本研究采用生物淋洗法­修复 2,4-DNT-3-SA 污染土壤, 考察了供氧条件、土水比及温度对去除效­果的影响, 得到如下结论。

1) 生物淋洗法对土壤中 2,4-DNT-3-SA 有很好的去除效果, 在不同温度、土水比和供氧条件下, 2,4-DNT-3-SA 的去除率均可达 90%以上。提高温度、土水比, 可以加快 2,4-DNT-3-SA 的去除速率,但对去除率影响不大。

2) 2,4-DNT-3-SA 的最佳去除条件为好氧、37ºc、土水比 10:5。在此条件下, 系统反应 15 天, 2,4-DNT-3-SA 的去除率即可达到 90%, 最终去除率在 98%以上。

3) 在降解 2,4-DNT-3-SA 的系统中, 主要的优势菌属为假单­胞菌属、鞘脂菌属和芽孢乳杆菌­属。

参考文献

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 ??  ?? 图 6 Simpson 指数(a)和 Shannon 指数(b)随时间变化Fig. 6 Variation of Simpson index (a) and Shannon index (b) along with the change of time
图 6 Simpson 指数(a)和 Shannon 指数(b)随时间变化Fig. 6 Variation of Simpson index (a) and Shannon index (b) along with the change of time
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图 5不同反应条件的 2,4-DNT-3-SA 最终去除率Fig. 5 Removal of 2,4-DNT-3-SA under different condition
 ??  ?? 图 3厌氧条件下土水比对 2,4-DNT-3-SA 去除效果的影响Fig. 3 Effect of the ratio of soil to water on the removal of 2,4DNT-3-SA under anaerobic condition
图 3厌氧条件下土水比对 2,4-DNT-3-SA 去除效果的影响Fig. 3 Effect of the ratio of soil to water on the removal of 2,4DNT-3-SA under anaerobic condition
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图 2好氧条件下土水比对 2,4-DNT-3-SA 去除效果的影响Fig. 2 Effect of the ratio of soil to water on the removal of 2,4DNT-3-SA under aerobic condition
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图 4温度对 2,4-DNT-3-SA 去除效果的影响Fig. 4 Effect of temperatur­e on the removal of 2,4-DNT-3-SA
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图 1 好氧/厌氧实验装置Fig. 1 Experiment­al facilities under aerobic and anaerobic conditions

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