烟嘧磺隆废水的生物降解研究

王多余， 孙玉栋， 邓胜松， 朱慧霞， 王 淮

（1.安徽省化工研究院，安徽 合 肥 230041；2.合肥工业大学 医 学工程学院，安徽 合 肥 230009）

0 引 言

烟嘧磺隆（nicosulfuron）是一种磺酰脲类玉米田苗后除草剂，对于玉米田中的阔叶杂草、一年生禾本科杂草及部分莎草科杂草具有良好的防治效果［1－4］，其具有用量低、效果好的特点，在我国已得到广泛的推广和使用［5］。目前国内许多农药企业已开始生产该除草剂，虽然在烟嘧磺隆对水体、土壤和植物的环境毒性评价方面已有较多研究［6－10］，但涉及烟嘧磺隆废水及其生产中间体的处理，尤其是生物降解方面的报道较少。烟嘧磺隆废水主要含有大量的盐酸、氯化铵、硫磺、氯化钠、硫化碱、二氯乙烷、二甲苯、丙酮及生产中间体等物质［11－13］，本文采用苏云金芽孢杆菌菌株ODPY对烟嘧磺隆废水及生产中间体的降解特性进行了初步研究，为探索烟嘧磺隆类农药及其废水污染的生物修复积累技术基础。

1 材料与方法

1.1 材料

菌种：苏云金芽孢杆菌（ODPY），由本课题组筛选及保藏。

2－氯－N，N－二甲基烟酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯由安徽省宿州市科立华化工有限公司提供，为烟嘧磺隆生产过程中的3个重要中间产物。

种子培养基：牛肉膏3.0g，蛋白胨10.0g，NaCl 5.0g，烟嘧磺隆废水300mL，蒸馏水1 000mL，pH 7.0；无机盐培养基：K2HPO4·3H2O 6.0g，KH2PO41.0g， MgSO4· 7H2O 0.4g，（NH4）2SO42.5g，蒸馏水1 000mL，其中 Mg－SO4·7H2O和磷酸盐缓冲液分别灭菌后加入。

主要试剂与仪器：HQL300B柜式恒温冷冻摇床（武汉中科科仪技术发展有限公司）；WFI800－D3B型紫外可见分光光度计（北京瑞利分析仪器厂）；岛津UV－2550紫外可见分光光度计（日本SHIMADZU 公司）；WC－Ⅰ微波消解COD测定仪（长沙湘蓝科学仪器有限公司）。

1.2 菌种种子液制备

将菌株ODPY接种于种子培养基中，在30℃，活化17h 后，2 次离心 （8 000r／min、8min、4℃），使菌种悬浮于生理盐水中（NaCl，0.85%），调整其菌液浓度使OD600nm为2.0。

1.3 ODPY对烟嘧磺隆废水的降解

在100mL恶草酮废水中以5%的接种量接入ODPY种子液，放入30℃、150r／min的恒温摇床中培养，定时取样，进行UV－VIS全波长扫描及COD测定。同时，在相同条件下，以无菌水作为对照进行空白试验。试验均设3次重复。

1.4 ODPY对烟嘧磺隆中间体的降解

在无机盐培养基础上分别加入1%的烟嘧磺隆中间体2－氯－N，N－二甲基烟酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯，5%的接种量接入ODPY种子液，放入30℃、150r／min的恒温摇床中培养，定时取样，进行UV－VIS全波长扫描及COD测定。试验均设3次重复。

2 结果与讨论

2.1 ODPY对烟嘧磺隆废水的降解

菌株ODPY对烟嘧磺隆废水降解的影响如图1所示。图1表明，菌株ODPY对烟嘧磺隆废水有一定的降解作用。随着降解时间的延长，烟嘧磺隆废水的COD也随之下降，在第2天时达到最低值，为6 342mg／L，COD去除率达到23%，3d后，烟嘧磺隆废水的COD下降趋缓并略有升高。这是由于随着降解时间延长，微生物逐渐生长繁殖，烟嘧磺隆废水中可降解底物的不断减少和产物的增多，可能会影响并限制了ODPY对烟嘧磺隆废水的生物降解，同时，微生物的自身组成成分也会在COD测定时造成一定的干扰，导致COD值增大。

通过空白对照和紫外－可见全波长扫描检测烟嘧磺隆废水降解0、2、4d的图谱如图2所示，由图2可看出，烟嘧磺隆废水COD的下降，是由于菌株ODPY对烟嘧磺隆废水的降解所引起的。从图2还可以看出，烟嘧磺隆废水在275～572nm之间有强吸收值，其中在292nm吸光度降幅最大。烟嘧磺隆废水经菌株ODPY降解后，废水在275～572nm有强光度的物质含量有所下降，其中292nm处有强光度的物质降幅最大，这显示菌株ODPY对烟嘧磺隆废水中的某一或某一类组分有着较好的降解作用。

图1 ODPY对烟嘧磺隆废水COD的去除

图2 烟嘧磺隆废水的紫外－可见全波长扫描图

2.2 ODPY对烟嘧磺隆中间体的降解

农药废水难以降解的重要原因是其中所含的各种生产中间体难以被有效降解［4，8－9］。为探讨菌株ODPY对烟嘧磺隆废水降解的缘由，本研究借鉴系统还原论的思路，依托烟嘧磺隆以及其他农药废水的成分分析结果，选取了烟嘧磺隆生产过程中的3种重要组分2－氯－N，N－二甲基烟酰胺、磺酰胺和磺酰胺甲酸酯，分别考察了菌株ODPY对其的降解状况。

菌株ODPY对2－氯－N，N－二甲基烟酰胺废水的降解如图3所示。由图3可见，与没有接种ODPY菌的对照样相比，随着降解时间的延长，2－氯－N，N－二甲基烟酰胺的COD也随之下降，COD去除率达到40.9%。这一结果表明烟嘧磺隆的中间体2－氯－N，N－二甲基烟酰胺能够被菌株ODPY有效降解利用。2－氯－N，N－二甲基烟酰胺降解的紫外－可见全波长扫描图如图4所示，该中间体在286nm处有最大吸光度，经菌株ODPY降解后，其在286nm处的吸光度有较为明显的下降、峰宽变小。这表明菌株ODPY能够降解烟嘧磺隆废水中的中间体2－氯－N，N－二甲基烟酰胺。

图3 2－氯－N，N－二甲基烟酰胺水溶液COD的去除

图4 2－氯－N，N－二甲基烟酰胺的紫外－可见全波长扫描图

菌株ODPY对烟嘧磺隆中间体磺酰胺的降解情况如图5所示，从图5可看出，随着降解时间的延长，磺酰胺的COD随之快速下降，在第3天时达到425mg／L，COD去除率达到71.5%，所以烟嘧磺隆的中间体磺酰胺能被菌株ODPY有效地快速降解。磺酰胺降解的紫外－可见全波长扫描图也很好地证实了ODPY的降解能力，如图6所示。

图5 磺酰胺水溶液COD的去除

图6 磺酰胺的紫外－可见全波长扫描图

与图1和图3相比可知，菌株ODPY使烟嘧磺隆废水的COD明显下降的主要原因是其对磺酰胺的降解作用。

菌株ODPY对磺酰胺甲酸酯的降解情况如图7、图8所示，由图7、图8可看出，随着降解时间的增加，磺酰胺甲酸酯的COD也随之快速下降，在第3天时达到最低值，为743mg／L，COD去除率达到42.2%；磺酰胺甲酸酯在281nm特征峰强度和面积也相应地减弱。

图7 磺酰胺甲酸酯水溶液COD的去除

图8 磺酰胺甲酸酯的紫外－可见全波长扫描图

2.3 降解原理分析

烟嘧磺隆、2－氯－N，N－二甲基烟酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯的化学结构式如图9所示。

图9 4种物质的化学结构式

由以上分析可知，菌株ODPY对烟嘧磺隆生产的3种重要中间体的降解率大小依次为：磺酰胺＞磺酰胺甲酸酯＞2－氯－N，N－二甲基烟酰胺。这是由取代吡啶环结构的稳定性决定的，其中，磺酰胺吡啶芳香环2位上的—SO2NH2为强吸电基团，使吡啶芳香环上的π键电子云密度降低，从而使—C＝O上C的电子云向吡啶芳香环上转移，因而其吡啶芳香环3位上的C—N 键比2－氯－N，N－二甲基烟酰胺相同位置上的C—N键更易断裂；相比之下，磺酰胺甲酸酯吡啶芳香环2位上—C＝O与相邻N上的孤对电子能形成电子共轭，并且，磺酰胺、磺酰胺甲酸酯吡啶芳香环2位上基团的吸电性都要高于2－氯－N，N－二甲基烟酰胺相同位置的基团，这使得整个基团的电子稳定性增强［9］。此外，磺酰胺甲酸酯的降解率比磺酰胺的低近1倍可能是后者的亲水性更低所致。综上所述，菌株ODPY对烟嘧磺隆废水的降解是其降解中间体2－氯－N，N－二甲基烟酰胺、磺酰胺和磺酰胺甲酸酯等能力的综合体现。

3 结束语

对苏云金芽孢杆菌菌株ODPY降解烟嘧磺隆废水及生产中间体的考察表明，菌株ODPY对烟嘧磺隆废水有一定的降解效果，其COD去除率最大达到23%。综合菌株ODPY对3种重要中间体的降解结果可以看出，该菌株ODPY对烟嘧磺隆废水的降解是基于该菌株对烟嘧磺隆中间体2－氯－N，N－二甲基烟酰胺、磺酰胺、磺酰胺甲酸酯的降解，尤其是通过降解磺酰胺所实现的，其对3种中间体的降解率分别为40.9%、71.5%和42.2%。

这一研究的开展为探索烟嘧磺隆类农药生产及其废水污染的生物修复提供了初步的菌种来源与技术基础。该菌株对这些中间体的降解所涉及的机理仍需进一步研究，以拓展该菌株的应用。

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