不同試驗(yàn)條件下阿特拉津的生物降解研究

徐冬英，呂錫武

（1.紹興文理學(xué)院 土木系 浙江 紹興 312000；2.東南大學(xué)環(huán)境工程系 江蘇 南京 210096；）

梅梁灣系太湖北部的一個(gè)湖灣，是無(wú)錫市著名的風(fēng)景旅游區(qū)，也是該市賴以生存的水源地。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)大量化學(xué)合成的有機(jī)化合物通過(guò)各種渠道和途徑進(jìn)入水體，其中很多化合物在水體中長(zhǎng)期滯留。在圍繞這一環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行的各種研究工作中，有機(jī)物的生物降解性研究是當(dāng)前重要的課題之一。該研究目的在于通過(guò)人工介質(zhì)對(duì)湖水中的土著微生物進(jìn)行有效的富集，在介質(zhì)表面形成一層生物膜[1，2，3]，通過(guò)微生物的降解作用來(lái)降解湖泊中所含微量有機(jī)物，為在示范工程區(qū)內(nèi)有風(fēng)浪、透明度小、無(wú)底泥淤積等難于恢復(fù)水生植物的區(qū)域內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)提供參數(shù)。

阿特拉津是在1952年由Geigy化學(xué)公司研制開發(fā)的一種除草劑，1958年申請(qǐng)瑞士專利，1959年投入商業(yè)生產(chǎn)[4]。阿特拉津又名莠去津，英文名atrazine，化學(xué)名稱為2－氯－4－乙胺基－6－異丙胺基－1，3，5－三嗪，系均三氮苯類農(nóng)藥，25℃時(shí)在水中的溶解度為33μg.ml-1。它適用于玉米、甘蔗、高梁、茶園和果園，可防除一年生禾本科雜草和闊葉雜草，

對(duì)某些多年生雜草也有抑制作用[5]。由于阿特拉津的大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，已造成全球性的生態(tài)問(wèn)題，阿特拉津的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以降解，在環(huán)境中廣泛分布[6~7]。Dodson等人[8]發(fā)現(xiàn)低濃度0.5～10μg/L阿特拉津的暴露可引起水蚤Daphnia胚胎雄性后代出生率的增加。Leeuwen等人[9]發(fā)現(xiàn)0.05～0.65μg/L水平的阿特拉津與胃癌的發(fā)生有關(guān)（置信度大于95％）。阿特拉津被認(rèn)定為有潛在的致癌作用并可影響人體的內(nèi)分泌系統(tǒng)[10，11]。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)流程

試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)流程分別如圖1、2，反應(yīng)器內(nèi)有掛膜良好的組合填料人工介質(zhì)，在貯水池內(nèi)投加微量阿特拉津，貯水池出水口連接硅膠管，通過(guò)蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)流量。

1.2 試驗(yàn)儀器與有機(jī)藥劑

55×45×35（cm3）試驗(yàn)池；25WZB1.5-201無(wú)堵塞自吸泵（上海藍(lán)鯨電機(jī)制造有限公司）；帶攪拌器的150L貯水池；BT00-300M型蠕動(dòng)泵，泵頭型號(hào)TZ1515X（河北保定蘭格恒流公司）；增氧泵；阿特拉津（Atrazine）AR上海試劑一廠。

1.3 阿特拉津降解試驗(yàn)方案

1.3.1 馴化

低濃度阿特拉津馴化過(guò)程共歷時(shí)60天，其水力停留時(shí)間（HRT）為5天，在試驗(yàn)池中置放人工介質(zhì)，其中一個(gè)試驗(yàn)池投加阿特拉津，另一個(gè)貯水池作為對(duì)照。同時(shí)，經(jīng)常采集不同地點(diǎn)的太湖底泥，用超聲波將細(xì)菌分離出來(lái)，取上清液投加到試驗(yàn)池中，以增加細(xì)菌豐度。

1.3.2 動(dòng)態(tài)降解試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要目的是考察微量有機(jī)物濃度和水力停留時(shí)間的改變對(duì)微量有機(jī)物生物降解情況的影響。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用空調(diào)恒溫，通過(guò)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速控制流量。進(jìn)出水方式為下進(jìn)上出。保持微量有機(jī)物投加濃度不變，水力停留時(shí)間逐步控制在5天﹑7天。每次改變停留時(shí)間，穩(wěn)定運(yùn)行2至3周后采每個(gè)試驗(yàn)池的進(jìn)出水樣用GC-MS法分析微量有機(jī)物含量。

1.3.3 靜態(tài)態(tài)降解試驗(yàn)

在滅菌的三角瓶中加入含微量阿特拉津的水，依次調(diào)節(jié)溶液為相應(yīng)pH值，然后放入培養(yǎng)箱中，并保持充分光照效應(yīng)及供氧泵充分供氧，測(cè)定不同試驗(yàn)條件下的降解效果，隔6天后測(cè)定有機(jī)物濃度，每次取3組重復(fù)樣，測(cè)定結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)條件下阿特拉津濃度變化的降解性能

人工介質(zhì)經(jīng)水體中低濃度阿特拉津馴化后，富集了能降解對(duì)應(yīng)有機(jī)物的微生物，因而在不同條件下均能對(duì)阿特拉津有一定降解作用。GC-MS法分析阿特拉津含量，阿特拉津的動(dòng)態(tài)降解結(jié)果如圖3和圖4。

圖3 HR=7d阿特拉津降解

圖4 HRT=5d阿特拉津降解

從圖3、4可以看出，停留時(shí)間為5天和7天時(shí)，試驗(yàn)池中去除率比較穩(wěn)定，分別在50.0％～62.6％和66.4％～71.4％的范圍內(nèi)，對(duì)照池中去除率有所提高，分別在7.6％～10.2％和9.9％～15.1％的范圍內(nèi)。從阿特拉津進(jìn)出水濃度角度看，試驗(yàn)池中阿特拉津出水濃度明顯低于對(duì)照池中阿特拉津出水濃度，如阿特拉津進(jìn)水濃度為6.2μg/L，19.9μg/L時(shí)，在HRT=5d的情況下，試驗(yàn)池和對(duì)照池的阿特拉津出水濃度分別為3.1μg/L和5.7μg/L，7.8μg/L和18.9μg/L；在HRT=7d的情況下，試驗(yàn)池和對(duì)照池的阿特拉津出水濃度分別為1.4μg/L和4.3μg/L，5.1μg/L和12.9μg/L，說(shuō)明在停留時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)馴化的生物膜可以有效去除一定濃度范圍的阿特拉津，且水力停留時(shí)間越低，其去除效果越差。

2.1 不同溫度條件下的降解性能

溫度是影響微生物生長(zhǎng)代謝的一個(gè)重要因素，根據(jù)試驗(yàn)中不同培養(yǎng)溫度（5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃）時(shí)的降解液定時(shí)取樣的有機(jī)物測(cè)試濃度和去除率的數(shù)據(jù)，繪制它們的歷時(shí)曲線。

由圖5可知，溫度對(duì)去除阿特拉津的影響非常顯著，在此溫度系列中，均能去除污染質(zhì)阿特拉津，即使在低溫條件下，阿特拉津菌仍具有較好的生長(zhǎng)代謝能力，對(duì)研究區(qū)地下水10℃左右阿特拉津污染的原位治理具有重要應(yīng)用價(jià)值。由圖表明，在試驗(yàn)的溫度范圍（5～20℃）內(nèi)，阿特拉津菌對(duì)農(nóng)藥污染質(zhì)阿特拉津的去除能力隨環(huán)境溫度的升高而增加，20℃時(shí)阿特拉津的去除率為69.5％，明顯高于10℃時(shí)的去除率44.3％，而5℃時(shí)的去除率則為最小，溫度為25℃時(shí)，去除率為9.9％，阿特拉津的去除率逐漸下降，說(shuō)明溫度高于25℃時(shí)，反而不利于農(nóng)藥污染質(zhì)阿特拉津的去除。這說(shuō)明該菌在低溫條件下反而生長(zhǎng)的更好，對(duì)阿特拉津的去除能力也較高。該菌確定為一種嗜冷菌，只適于在低溫條件下去除阿特拉津，高溫反而抑制了它的生化去除作用。

圖5 不同溫度下阿特拉津的降解

2.2 不同pH值下的降解性能

圖6為不同pH下組合介質(zhì)對(duì)阿特拉津的去除效果。

圖6 不同pH下阿特拉津的降解

圖6表明，在HRT=6天，pH值對(duì)去除阿特拉津的影響也是非常明顯的。當(dāng)pH值為6～7范圍內(nèi)時(shí)其去除效果比較好，當(dāng)pH值為6時(shí)，去除能力最高，而pH值過(guò)高或過(guò)低時(shí)，去除能力都受到抑制。即此類微生物降解適宜在微酸性至中性環(huán)境中生存。對(duì)于難于生物降解的農(nóng)藥污染阿特拉津，在pH為5～10范圍內(nèi)對(duì)其均有明顯的去除能力，其中在pH為6左右，去除液的濃度下降近似達(dá)最小值，之后的去除趨于緩慢。其原因之一是體系中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗而抑制或阻止阿特拉津菌的生長(zhǎng)代謝和對(duì)污染質(zhì)的去除。圖3.5中反映在pH值為4、9時(shí)的去除率較小而在pH值為6和7的去除率最大。如pH為6時(shí)，阿特拉津的去除率為60％，而pH值為4和9時(shí)，阿特拉津的去除率則明顯低于pH值為6和7的去除率?？梢?jiàn)，在此pH值范圍的系列試驗(yàn)中，阿特拉津適宜的pH值范圍是6～7，此時(shí)的弱酸堿環(huán)境條件下，阿特拉津菌具有較好的去除污染質(zhì)的能力，與野外條件下的弱堿性（pH值7.5左右）地下水環(huán)境條件比較接近，有利于菌種在實(shí)際原位治理中的應(yīng)用[12]。

3 結(jié)論

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)人工介質(zhì)富集的微生物的降解作用，對(duì)水體中所含硝基苯具有一定降解去除作用。當(dāng)停留時(shí)間為7天時(shí)，硝基苯的去除率在66.2％～75.6％的范圍內(nèi)。且HRT=7d的去除效果明顯優(yōu)于HRT=5d的去除效果。

（2）溫度對(duì)有機(jī)物的去除影響很大，在試驗(yàn)的溫度范圍（5～20℃）內(nèi)，阿特拉津菌對(duì)農(nóng)藥污染質(zhì)阿特拉津的去除能力隨環(huán)境溫度的升高而增加，溫度高于25℃時(shí)，反而不利于農(nóng)藥污染質(zhì)阿特拉津的去除。這說(shuō)明該菌在低溫條件下反而生長(zhǎng)的更好，對(duì)阿特拉津的去除能力也較高。該菌確定為一種嗜冷菌，只適于在低溫條件下去除阿特拉津，高溫反而抑制了它的生化去除作用。

（3）阿特拉津適宜的pH值范圍是6～7，此時(shí)的弱酸堿環(huán)境條件下，阿特拉津菌具有較好的去除污染質(zhì)的能力，與野外條件下的弱堿性（pH值7.5左右）地下水環(huán)境條件比較接近，有利于菌種在實(shí)際原位治理中的應(yīng)用。

[1]徐冬英，呂錫武，王志雄.微生物降解阿特拉津試驗(yàn)研究[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（10）：38-41.

[2]徐冬英，呂錫武，吳敏，等.微生物降解阿特拉津、酞酸酯類有機(jī)物試驗(yàn)研究[J].凈水技術(shù)，2006，25（1）：52-54.

[3]徐冬英，呂錫武.微生物降解1，2，4-三氯苯試驗(yàn)研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2007，7（4）：55-58.

[4]王世杰，谷慶寶，杜平，等.零價(jià)鐵表面積對(duì)泥漿反應(yīng)體系中阿特拉津降解行為的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2007，20（6）：106-109.

[3]李清波，黃國(guó)宏，王顏紅，等.阿特拉津生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及其檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)2002，13（5）：625~628.

[4]胡宏韜，林學(xué)鈺，劉娜，等.阿特拉津降解菌的生長(zhǎng)規(guī)律及降解特征的實(shí)驗(yàn)[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)2003，16（3）：20~22.

[5]Mills M S et al.Preferential dealkylation reactions of s-triazine herbicides in the unsaturated zone[J].Environ.Sci.Technol.1994，28：600~605.

[6]Schottler S P et al.Atrazine，alachlor，and cyanazine in a large agricultural river system[J].Environ.Sci.Technol.1994，28：1079~1089.

[7]蔡寶立，黃金勇.除草劑阿特拉津生物降解研究進(jìn)展[J].生物工程進(jìn)展，1999，19（3）：7~11

[8]Dodson S L，Merritt C M，Shannahan J P.Lowexposure concentrations of atrazine increase male production in Daphnia.Environ Toxicol＆ Chemistry，1999，18（7）：1568~1573.

[9]Van Leeuwen J A，Walnter-Toews D，Abernathy T.Associations between stomach cancer incidence and drinking water contamination with atrazine and nitrate in Ontario（Canada）agroecosystems，1987~1991，International Journal of Epidemiology，1999，28（5）：836~840.

[10]Nalina S，Elizabeth D.A review of epidemiologic studies of triazene herbicides and cancer.Critical Reviews in Toxicology，1997，27（6）：599~613.

[11]任晉，蔣可.內(nèi)分泌干擾劑的研究進(jìn)展.化學(xué)進(jìn)展，2000，13（2）：135~144.

[12]胡宏韜，程金平.阿特拉津降解菌的生長(zhǎng)與降解特征研究[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，5（2）：90-93.