微生物法處理電子廢棄物拆解場(chǎng)地典型持久性有機(jī)污染物的研究進(jìn)展

張潔娜, 王景偉, 顧衛(wèi)華, 黃 慶, 李英順,莊緒寧,趙 靜,張承龍,白建峰

(1.上海第二工業(yè)大學(xué) 電子廢棄物研究中心,上海201209;2.上海新金橋環(huán)保有限公司,上海201201;3.上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,上海201209)

0　引言

電子廢棄物數(shù)量迅速增多具有雙重效應(yīng)。一方面由于其具有資源化特性,含有可回收利用的金屬(銅)、貴金屬(金、銀)、塑料和玻璃,另一方面電子廢棄物的不當(dāng)拆解又會(huì)帶來(lái)污染,產(chǎn)生大量的有毒有害物質(zhì),如金屬與金屬化合物(鉛、汞、鎘、鉻、鋇、鈹)及一些持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants,POPs),如多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、溴代阻燃劑、多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)、酞酸酯等。微生物降解是消除土壤中重金屬和POPs的環(huán)境友好方式。目前關(guān)于微生物法處理電子廢棄物中重金屬的綜述相對(duì)較多,而針對(duì)微生物法處理電子廢棄物中POPs的綜述鮮有報(bào)道。

電子廢棄物處理過(guò)程中產(chǎn)生的典型POPs由于其難降解性會(huì)使其長(zhǎng)期殘留在環(huán)境中,最終危害人體健康。電子廢棄物燃燒和填埋會(huì)產(chǎn)生PAHs,由于其低水溶性,易吸附在固體顆粒和有機(jī)腐殖質(zhì)上,廣泛存在于土壤、沉積物、地下水和大氣中,且化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,長(zhǎng)期存在于環(huán)境中,屬于處理過(guò)程中的二次污染物。鄰苯二甲酸酯類(phthalic acid esters,PAEs)是近年來(lái)產(chǎn)量最大、用量最多的增塑劑,廣泛用于橡膠、塑料、香料等行業(yè)[1-2]。因而也被廣泛用作電子廢棄物中的塑料增塑劑,PAEs增塑劑應(yīng)用最多的是酞酸二異辛酯(DEHP),其次是酞酸二酯。PCBs由于其具有良好的絕緣性、抗熱性和化學(xué)穩(wěn)定性,被廣泛用做電子產(chǎn)品中的蓄電池、變壓器、電力電容器的絕緣散熱介質(zhì)。PCBs難溶于水,主要被土壤、污泥及沉積物中的有機(jī)物吸附[3]。多溴聯(lián)苯醚(polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)因其阻燃效率高、熱穩(wěn)定性好以及對(duì)材料性能影響小,自上世紀(jì)60年代以來(lái)作為一種添加型阻燃劑被廣泛地應(yīng)用于電子電器產(chǎn)品中[4]。PBDEs缺乏化學(xué)鍵的束縛作用,因此添加于電子電器產(chǎn)品中的PBDEs很容易通過(guò)揮發(fā)、滲出等方式進(jìn)入環(huán)境[5]。多溴聯(lián)苯(polybrominated biphenyls,PBBs)也是一類曾被廣泛使用的溴代阻燃劑,屬于添加型阻燃劑,以物理方法添加,而非化學(xué)鍵合,因此可以通過(guò)滲出等方式釋放到外界環(huán)境中,隨著生物鏈在生物體內(nèi)富集和放大,并且具有長(zhǎng)距離遷移的能力,對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的有害影響[6]。

因此,本文綜述了電子廢棄物處理過(guò)程中產(chǎn)生的典型 POPs,包括 PAHs、PAEs、PCBs、PBDEs和PBBs的高效降解菌株培養(yǎng)分離及應(yīng)用現(xiàn)狀的研究概況,以期對(duì)POPs污染環(huán)境的修復(fù)治理產(chǎn)生一定的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。

1　 PAHs的降解

1.1　降解菌種類

PAHs降解菌的種類主要包括細(xì)菌和真菌。PAHs生物降解的難易程度取決于其自身的分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度,且降解菌種數(shù)目隨PAHs分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度的上升而減少。PAHs微生物降解多以好氧降解為主。

目前,研究較多修復(fù)PAHs污染土壤的菌種多集中在細(xì)菌和真菌[7],已發(fā)現(xiàn)的能降解PAHs的廣譜性細(xì)菌主要包括假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)、分枝桿菌屬(Mycobacterium sp.)、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas sp.);能降解PAHs的廣譜性真菌主要包括曲霉屬(Aspergillus sp.)、黃孢原毛平革菌屬(Phanerochaete chrysosporium sp.)白腐菌屬(Phlebiabrevispora sp.)等;真菌主要是通過(guò)共代謝的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PAHs的最終礦化,主要包括真菌與細(xì)菌的協(xié)同作用,一方面原因可能是真菌作用于PAHs的產(chǎn)物水溶性增加,以及真菌的菌絲體傳輸作用,從而提高細(xì)菌對(duì)PAHs的礦化[8]。此外,細(xì)菌也可間接提高PAHs的降解效率,通過(guò)自身釋放的生長(zhǎng)因子促進(jìn)真菌菌根的生長(zhǎng)從而提高對(duì)PAHs的降解。其次,還包括真菌與植物的協(xié)同作用,主要發(fā)揮作用的是球囊菌門真菌與植物根系形成的叢枝菌根共生體[9]。與細(xì)菌相比,真菌能降解PAHs的種類雖然不多,但真菌降解PAHs的效率通常高于細(xì)菌,尤其在高環(huán)PAHs的降解方面表現(xiàn)較為突出。

1.2　菌株降解PAHs的能力與過(guò)程分析

近年來(lái),陳紅云等[10]從受PAHs污染的臺(tái)州市路橋固廢拆解場(chǎng)污染土壤中用經(jīng)過(guò)腐植酸(HA)吸附的PAHs分離培養(yǎng)出1株高效降解菌株Tzyx3,經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)鑒定、生理生化及分子生物學(xué)鑒定其為解脂耶氏酵母菌(Yarrowia lipolytica);并以HA溶液為吸附劑與高效菌株制成生物修復(fù)劑,對(duì)萘、菲、芘、熒蒽、苯并蒽、苯并芘進(jìn)行降解,15 d后,萘、菲、芘、熒蒽、苯并蒽、苯并芘的降解率分別為90.7%、91.0%、74.7%、86.9%、84.7%和74.7%。由此可見,HA可協(xié)作Tzyx對(duì)污染土壤中PAHs的降解,且對(duì)菲的降解率最高。蔡瀚等[11]從廣東省貴嶼鎮(zhèn)電子垃圾拆解地長(zhǎng)期受PAHs污染的河涌中分離篩選出1株短短芽胞桿菌(Brevibacillus brevis,B brevis),在最適生長(zhǎng)條件下,pH為7,溫度25?C,投菌量1 g/L,培養(yǎng)7 d,并以苯并[a]芘作為唯一碳源和能源,能使1 mg/L BaP的降解率達(dá)到51.35%,屬于BaP高效降解菌。

日前,土壤中的高環(huán)PAHs污染日趨嚴(yán)重,在篩選出高效PAHs降解菌的同時(shí),深入研究高環(huán)PAHs降解菌的降解機(jī)理及其與土壤顆粒之間的相互作用機(jī)理顯得尤為迫切。由于土壤中土著微生物的復(fù)雜性,將高效純種降解菌大面積接種于PAHs污染場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)地修復(fù)的相關(guān)報(bào)道較少,探索土著微生物和外源高效降解菌之間的相互關(guān)系,以使外源高效降解菌充分發(fā)揮其對(duì)土壤中的PAHs的降解,來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的復(fù)合PAHs環(huán)境污染。

2　PAEs化合物的降解

2.1　降解菌種類

PAEs的微生物降解效果既受微生物種類、數(shù)量、PAEs的初始濃度、分子量和化學(xué)結(jié)構(gòu)影響外,還受營(yíng)養(yǎng)鹽等影響[12]。PAEs的生物降解率較低,其生物降解性隨烷基鏈含碳數(shù)的增加和分枝側(cè)鏈的增加而降低。PAEs可以被大量的細(xì)菌降解[13]。

電子廢棄物中常用的塑料種類為聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(HIPS)及混合塑料(PC/ABS)等。且塑料中所含的工業(yè)用增塑劑,一般為鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)。

目前已報(bào)道的PAEs降解菌主要有Pseudomonas sp.、Mycobacterium sp.、芽孢桿菌屬 (Bacillus sp.)、諾卡氏菌屬 (Nocardia sp.)、紅球菌屬(Rhodococcus sp.)、寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas sp.)和戈登氏菌屬(Gordonia sp.)等。

2.2　菌株降解PAEs的能力與過(guò)程分析

目前,廣泛使用的PAEs已普遍存在于土壤、底泥、水體、生物、空氣及大氣降塵物等環(huán)境中,嚴(yán)重污染環(huán)境土壤。嚴(yán)佳麗等[14]從武漢市長(zhǎng)期受生活污水及PVC材料污染的南湖底泥中分離篩選得到1株能以DEHP為唯一碳源和能源生長(zhǎng)的菌株Gordonia sp.,并將其命名為HS-NH1。探索其最適的生長(zhǎng)條件和降解條件,在溫度為30?C、pH 7.0,60 h內(nèi)能將濃度500 mg/L的DEHP降解90%以上。分析其降解機(jī)理,認(rèn)為菌株HS-NH1在降解DEHP的過(guò)程中產(chǎn)生了一種中間代謝產(chǎn)物——鄰苯二甲酸。金雷等[15]從長(zhǎng)期受塑料垃圾污染的土壤中通過(guò)富集、分離純化得到1株DBP高效降解菌類芽孢桿菌屬(Paenibacillus sp.),將其命名為H-2。探索了菌株H-2的最佳降解條件,在溫度為30?C,pH7.0的降解條件下,3 d內(nèi)對(duì)100 mg/L DBP的降解率高達(dá)87.6%,且H-2可降解短鏈鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二乙酯和DBP,而對(duì)于長(zhǎng)鏈鄰苯二甲酸二辛酯的降解效果相對(duì)較差。金德才等[16]從PAEs污染土壤中分離篩選到1株能夠以PAEs為唯一碳源和能源生長(zhǎng)的菌株Rhodococcus sp.,命名為JDC-11,其最佳降解條件是溫度30?C、pH 8.0、轉(zhuǎn)速175 r/min,在此條件下,JDC-11能夠在24 h內(nèi)將1 g/L DBP完全降解,由此證明JDC-11是1株DBP高效降解菌。高俊賢等[17]從鎮(zhèn)江某垃圾站污染土壤中分離篩選出1株能夠以DBP為唯一碳源和能源生長(zhǎng)的細(xì)菌高效降解菌變形假單胞菌(Pseudomonas plecoglossicida),將其命名為TM。并采用單因素和正交實(shí)驗(yàn)對(duì)TM菌株的降解條件進(jìn)行優(yōu)化,最終的優(yōu)化結(jié)果為,TM的最適生長(zhǎng)溫度為30?C,最適pH為7.0,在最適降解條件下,在72 h內(nèi)對(duì)400 mg/L DBP的降解率達(dá)到88.56%,由此可證明此菌株對(duì)PAEs能高效降解。

近年來(lái),研究學(xué)者從污染地中分離、純化得到了大量具有PAEs降解能力的菌株。然而,研究主要是進(jìn)行單一底物的降解,而在多種污染物共存的環(huán)境中,通過(guò)混和菌群的構(gòu)建替代單一菌,探索其最適降解條件及其降解機(jī)理,從而實(shí)現(xiàn)PAHs的高效降解,是今后研究的主要方向。

3　 PCBs的降解

3.1　降解菌種類

PCBs在有氧條件下,分子結(jié)構(gòu)中低于5個(gè)氯原子的PCBs能夠被多種微生物氧化,并且隨著氯原子的逐漸增多,PCBs的持久性和難降解性逐漸增強(qiáng)。在厭氧條件下,9氯以上的PCBs能夠被厭氧微生物降解為低氯PCBs,但不能破壞苯環(huán)的結(jié)構(gòu),對(duì)于其降解十分不徹底。

目前,研究者篩選出的能降解PCBs的微生物主要包括細(xì)菌和真菌。細(xì)菌主要包括產(chǎn) Pseudomonas sp.、Sphingomonas sp.、堿桿菌屬(Alcaligenes sp.)、伯克霍爾德菌屬(Burkholderia sp.)、Bacillus sp.、無(wú)色桿菌屬 (Achromobacter sp.)、毛單胞菌屬(Comamonas sp.)、羅爾斯頓菌屬(Ralstonia sp.)和不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter sp.)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus sp.)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium sp.)、Rhodococcus sp.、節(jié)桿菌屬 (Arthrobacter sp.) 等[18-19]。真菌主要包括Phanerochaete chrysosporium sp.、Phlebiabrevispora sp.、黑曲霉屬(Aspergillusniger sp.)、平革菌屬 (Phanerochaete sp.)、金孢屬 (Chrysosporium sp.)、蠔側(cè)耳屬 (Pleurotusostreatus sp.)、黃曲霉屬(Aspergillusfl avus sp.)和釀酒酵母屬(Saccharomyces cerevisiae sp.)等均可降解PCBs。

3.2　菌株降解PCBs的能力與過(guò)程分析

近年來(lái),研究者崔靜嵐[20]將臺(tái)州某地區(qū)典型PCBs污染土壤和河流底泥等作為篩選源,由于許多PCBs好氧降解菌主要是以聯(lián)苯作為生長(zhǎng)底物共代謝降解PCBs的,直接以PCBs作為碳源和能源的降解菌很少。因此,研究者先以聯(lián)苯作為唯一碳源篩選出聯(lián)苯降解菌,然后再探索聯(lián)苯降解菌對(duì)PCBs的降解能力,先后馴化富集得到一種混合培養(yǎng)體BP-Y和分離篩選出1株P(guān)CBs降解菌,并將其命名為HC3。利用HC3和混合培養(yǎng)體BP-Y分別在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際土壤中的PCBs進(jìn)行降解,在實(shí)驗(yàn)室模擬降解實(shí)驗(yàn)中,菌株HC3和混合培養(yǎng)體BP-Y對(duì)PCBs總量5 d的降解率為28.1%和29.1%,10 d的降解率為45.4%和59.2%,降解效果非常顯著。而在實(shí)際土壤PCBs降解實(shí)驗(yàn)中,菌株HC3和混合培養(yǎng)體BP-Y對(duì)PCBs總量5 d的降解率為16.8%和12.6%,10 d的降解率為21.3%和28.7%,與無(wú)菌添加的對(duì)照組相比有一定的降解效果,但與實(shí)驗(yàn)室模擬降解實(shí)驗(yàn)的降解效率相比,實(shí)際土壤PCBs降解實(shí)驗(yàn)的修復(fù)效率小于實(shí)驗(yàn)室降解效率的50%,表明在實(shí)際應(yīng)用中環(huán)境因素和規(guī)模擴(kuò)大化會(huì)影響PCBs的降解效率。張娟[21]從浙江臺(tái)州受電子廢棄物污染土壤中采用富集培養(yǎng)和平板劃線分離的方法分離篩選得到了1株降解能力較高的菌株紐倫堡潘多拉菌(Pando-raeanorimbergensis),并將其命名為A1,探索該菌株的最佳降解條件,在pH=7,溫度30?C,初始底物濃度150 mg/L,裝液量為250 mL三角燒瓶中裝30 mL,培養(yǎng)時(shí)間7 d時(shí),對(duì)PCBs的降解效果最好。并運(yùn)用共面PCBs試劑盒測(cè)得其降解率為25%。方麗等[22]從廢舊變壓器周圍的土樣中分離篩選出1株P(guān)CBs降解菌,其為枯草桿菌(Bacillus subtilis),編號(hào)為WF1,該菌株能以聯(lián)苯作為唯一的碳源生長(zhǎng)。其最佳產(chǎn)酶條件為溫度35?C、pH 7.0、250 mL三角燒瓶中裝液量100 mL以下、接種量4%、PCBs初始濃度0.2 mg/L,150 r/min下振蕩培養(yǎng)3 d。最佳酶促反應(yīng)條件為溫度35?C、pH 7.5。唐偉[23]從浙江蕭山區(qū)某變電站含PCBs的廢舊變壓器儲(chǔ)藏地覆土中篩選出能以PBBs為唯一碳源和能源的大量微生物,16SrRNA測(cè)序結(jié)果鑒定出這些微生物分別屬于13個(gè)菌屬,已有多數(shù)菌屬被證明過(guò)有降解PCBs的能力。該研究者以Bacillus sp.T29和Corynebacterium sp.W5作為研究對(duì)象,均可與聯(lián)苯共代謝降解PCB61;還研究了重金屬Cr和Cu對(duì)降解菌生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)重金屬Cr和Cu可能會(huì)抑制降解菌的生長(zhǎng),從而影響PCBs的降解,因此得出結(jié)論,在利用降解菌修復(fù)土壤PCBs時(shí),為了達(dá)到更理想的降解效果,應(yīng)當(dāng)先控制土壤中Cr和Cu的濃度。

雖然已經(jīng)篩選出大量降解菌降解PCBs,但大多都處于實(shí)驗(yàn)室階段,這是由于許多微生物在實(shí)驗(yàn)室中的降解率很高,但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中降解率則降低,在實(shí)際的自然環(huán)境中,由于降解溫度、降解pH等條件不容易控制,導(dǎo)致降解菌不能在最佳降解條件下使PCBs的降解率達(dá)到最高。因此,降解菌對(duì)污染物的降解從實(shí)驗(yàn)室階段過(guò)渡到實(shí)際生產(chǎn)中是未來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

4　 PBDEs、PBBs的降解

4.1　降解菌的種類

PBDEs是一類重要的溴代阻燃劑,工業(yè)用PBDEs主要包括五溴聯(lián)苯醚(PeBDE)、八溴聯(lián)苯醚(OcBDE)和十溴聯(lián)苯醚(BDE-209),其中BDE-209應(yīng)用最為廣泛。目前對(duì)于降解PBDEs的微生物研究并不多見,僅有少數(shù)微生物發(fā)現(xiàn)能降解PBDEs。分離出的降解PBDEs的微生物有Bacillus sp.,Pseudomonas sp.和 Sphingomonas sp.細(xì)菌[24]。

4.2　菌株降解PBDEs的能力與過(guò)程分析

近年來(lái),趙宇[25]從廣東貴嶼鎮(zhèn)電子垃圾拆解地采集的沉積物樣品中分離出1株BDE-209高效降解菌B.brevis。B.brevis的最適降解pH為7,投菌量3.0 g/L,溫度30?C,最佳菌齡為36 h,最佳氮源為(NH4)2SO4,5 d后,對(duì)1.0 mg/L BDE-209的降解率可達(dá)54.38%,并研究了B.brevis的耐受性,研究表明,B.brevis對(duì)Cu2+、Cd2+有較好的耐受性,但Cu2+和Cd2+會(huì)影響其對(duì)BDE-209的降解,當(dāng)Cu2+濃度在1.0～5.0 mg/L、Cd2+濃度在0.3～0.5 mg/L范圍內(nèi)時(shí),B.brevis對(duì)BDE-209的降解均可達(dá)50%以上。王繼華等[26]從浙江臺(tái)州路橋區(qū)電子垃圾拆解場(chǎng)地的土壤中通過(guò)污染物質(zhì)量濃度梯度馴化法、最大污染物質(zhì)量濃度馴化法及外加碳源輔助馴化法,采用3種方法整體馴化之后進(jìn)行菌株的分離,分別得到7、3和11株降解菌株,先分離菌株,再采用3種方法逐級(jí)馴化共得到能在以BDE-47為唯一碳源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的14株,為馴化最優(yōu)組合,且經(jīng)形態(tài)學(xué)觀察及生理生化鑒定可知,先馴化再得分離到的菌株,均可在上述14株中找到相對(duì)應(yīng)菌株。先分離再馴化的方法可以全面、系統(tǒng)地將降解菌分離純化出來(lái),但該方法所用時(shí)間較長(zhǎng),工作量大。先馴化再進(jìn)行降解菌的分離純化,雖然得到的降解菌株相對(duì)較少,但其降解能力比先分離后馴化所得到的菌株有所提高,且利用該法能分離篩選得到降解菌群,而降解菌群的降解能力相較于單菌株降解能力則大大提高。陳桂蘭等[27]利用電子垃圾污染河床沉積物為種源富集馴化獲得的菌群Cf3,同樣具有較高的BDE-209降解率,其降解率可達(dá)80%,菌群Cf3被證明是高效降解菌群。

目前,多集中在PBDEs單一底物降解菌的分離、篩選、鑒定等方面,但是單一菌種降解底物單一,未來(lái)應(yīng)多聚焦于混合菌株對(duì)PBDEs的高效降解,為PBDEs污染環(huán)境的修復(fù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

4.3　PBBs的降解

2009年5月,瑞士日內(nèi)瓦舉行的《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》締約方大會(huì)第四次會(huì)議決定將六溴聯(lián)苯等物質(zhì)新增列入公約的受控范圍。目前為止,有關(guān)降解PBBs的高效菌株的報(bào)道幾乎沒(méi)有。由于PBBs也是一類曾被廣泛使用在電子產(chǎn)品中的一種添加型阻燃劑,研究者后續(xù)應(yīng)致力于PBBs降解菌的篩選。

5　結(jié)論與展望

5.1　結(jié)論

目前研究主要集中于污水處理廠的活性淤泥、石油污染土壤及焦化工業(yè)場(chǎng)地土壤中POPs降解菌株的分離和篩選研究,而對(duì)于電子廢棄物拆解場(chǎng)地POPs降解菌株的研究較少。隨著電子廢棄物的日益增多,未來(lái)研究應(yīng)多聚焦于電子廢棄物所造成的環(huán)境污染,尤其是POPs的降解。微生物降解是目前最行之有效的有機(jī)物降解途徑,且無(wú)二次污染。

5.2　展望

(1)建立一個(gè)有關(guān)電子廢棄物污染物的高效菌種庫(kù),保存現(xiàn)有的菌種,然后不斷開發(fā)新的高效降解菌以擴(kuò)充高效菌種庫(kù),使得電子廢棄物得到有效的降解。

(2)為提高微生物在實(shí)際電子廢棄物污染土壤環(huán)境中的應(yīng)用,應(yīng)篩選獲得一些多功能高效降解菌或者探索混合菌種對(duì)電子廢棄物中POPs的降解最優(yōu)條件及其降解機(jī)理,以便更有效地降解電子廢棄物中的POPs。

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