电气石对脱氯菌降解三氯乙烯的影响

岳俊杰，王玉婷，冯 炘，王 薇，李铁龙

（1. 天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384；2. 南开大学 环境科学与工程学院，天津 300071；3. 南开大学 环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津 300071）

研究报告

电气石对脱氯菌降解三氯乙烯的影响

岳俊杰1，王玉婷1，冯 炘1，王 薇2，3，李铁龙2，3

（1. 天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384；2. 南开大学 环境科学与工程学院，天津 300071；3. 南开大学 环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津 300071）

以电气石作为环境微生物强化介质材料，协同以Dehalococcoides spp.为主体的脱氯混合菌群（简称脱氯菌）对水中的三氯乙烯（TCE）进行降解，探讨了电气石对降解效果的影响。实验结果表明：电气石可调节水溶液的pH使之趋向于中性并提高水溶液的电导率；在脱氯菌接种量为8%、电气石加入量为5.0 g/L的条件下降解20 mg/L的TCE，84 h时TCE已全部降解，而未加电气石体系只降解了54.7%；外加电子供体甲醇和外加电气石均可明显提高脱氯菌对TCE的降解速率，且外加电气石的降解效果更好，说明电气石可能在促进微生物生长繁殖的同时也能为其提供合适的电子供体，这对降解地下水中的TCE具有重要意义。

电气石；脱卤拟球菌；三氯乙烯降解；电子供体；地下水

三氯乙烯（TCE）是一种挥发性氯代有机物，在工业生产中作为脱脂剂和除油剂等被广泛使用。由于处置不当，使得TCE成为了地下水中检出率最高的有机氯代烃污染物［1］。TCE污染面广、毒性大且具有“三致”作用，对生态系统安全和人类健康构成了极大的威胁。

去除地下水中TCE的方法有物理法、化学法和生物法。与其他两种方法相比，生物法具有处理效率高、费用低、降解彻底和不造成二次污染等优点，而利用厌氧微生物与其他方法联合修复水中有机污染时，常会表现出协同效应［2］。产乙烯脱卤拟球菌（Dehalococcoides spp.）是目前已知的唯一能将TCE彻底还原脱氯为无毒产物乙烯的一类适应地下水缺氧环境的厌氧菌［3］。该菌种在厌氧条件下将TCE作为电子受体、以其他还原性物质（如氢气、甲醇、甲苯、醋酸盐等）作为电子供体，进行有效的还原脱氯［4-5］。但该方法修复周期长，且向地下水中加入还原性物质会带来二次污染和安全隐患。

有研究表明，自然界中具有自发极性的硼硅酸盐矿物电气石（XY3Z6Si6O18（BO3）3W4：X=Na，Ca，K或空位；Y=Mg，Fe，Mn，Al，Li；Z=Al，Fe，Cr，Mg；W=OH，F，O）可促进微生物的生长繁殖［6-9］，并具有其他特殊的功能属性，如辐射远红外线、降低溶液氧化还原电位、调节pH使之趋向中性、改善水分子团簇结构、使周围水分子持续电解生成氢气等［9-11］。

本工作以电气石作为环境微生物强化介质材料，协同以Dehalococcoides spp.为主体的脱氯混合菌群（简称脱氯菌）对TCE进行降解，探讨了电气石对降解效果的影响及其提供电子的可行性，以期为地下水的实际修复提供理论基础。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

TCE：纯度99%；甲醇：纯度99.5%。

电气石：粉体，主要成分为SiO2，Al2O3，Fe2O3，B2O3，FeO，MgO等，纯度95%以上，购于赣州托马琳环保科技有限公司。

100 mL血清瓶：宏达玻璃制瓶有限公司；100 μL气密进样针：澳大利亚SGE公司；M256710型手套式厌氧箱：福玛实验设备有限公司；SHABA型数显水浴恒温振荡器：杰瑞尔电器有限公司；D/max-2500型X射线衍射仪：日本理学公司；DELTA-320型pH计：Mettler Toledo公司；DDS-307型电导率仪：上海精密科学仪器有限公司；JSM-6700F型扫描电子显微镜：日本日立公司；LS230型激光粒度分析仪：美国Beckman公司；GC-2010 plus型气相色谱仪：日本岛津公司。

1.2 微生物的培养

采用的脱氯菌是从氯乙烯污染场地土壤中提取、富集、培养的，菌种保存在厌氧培养箱内。为使菌群保持较好的活性，需定期更换培养液（配制方法见文献［12］），且每天投加0.1 mol/L溶于甲醇的TCE，TCE与甲醇的摩尔比为1∶10，甲醇作为电子供体维持脱氯菌的稳定生长。

1.3 实验方法

1.3.1 电气石对水溶液性能的影响

向50 mL用HCl或NaOH调节pH至3.0或11.5的蒸馏水中分别加入一定量的电气石，定时取样测定水溶液pH的变化，研究电气石对水溶液pH的调节作用。向50 mL去离子水中加入一定量的电气石，定时取样测定水溶液电导率的变化，研究电气石对水溶液电导率的影响。

1.3.2 电气石对脱氯菌降解TCE的影响

采用100 mL经高温、高压消毒的血清瓶，在手套式厌氧箱内进行操作。接种一定量脱氯菌液到血清瓶中，补充厌氧培养液至50 mL，加入一定量电气石或甲醇，密封瓶口后加入20 mg/L TCE。将血清瓶置于水浴恒温振荡器上，在温度26 ℃、转速110 r/min的条件下进行反应，定时以气密进样针取100 μL顶空气体待测。

1.4 分析方法

采用XRD技术鉴定电气石的物相，条件为：管电压40 kV，管电流100 mA，扫描范围2θ=10 °～80 °，扫描速率2（°）/min。采用SEM技术观察电气石的微观形貌。采用激光粒度分析仪测定电气石的粒径分布。采用pH计测定pH。采用电导率仪测定电导率。采用气相色谱仪测定顶空气体中TCE的质量浓度，换算为反应液中TCE的质量浓度，测定条件为：Rtx-Wax型毛细管柱，30 m×0.32 mm（内径）× 0.25 μm；氢火焰离子化检测器，载气为氮气，检测器温度220 ℃，进样口温度200 ℃，总流量45.8 mL/min，柱流量1.07 mL/min，分流比39；色谱柱升温程序为40℃保持8 min，以35 ℃/min的速率升温至220 ℃，保持2 min。

2 结果与讨论

2.1 电气石的表征结果

电气石的XRD谱图见图1。由图1可见，衍射峰的位置与数据库中铁镁电气石的标准谱图相吻合，说明试样为铁镁电气石。SEM观察结果显示，电气石呈不规则块状，比表面积大。粒径分析测定结果表明，电气石的粒径分布主要集中在0.6～10 μm，该范围的累积质量分数达82%。

图1 电气石的XRD谱图

2.2 电气石对水溶液性能的影响

2.2.1 电气石对水溶液pH的影响

环境pH对微生物的生命活动影响很大。本实验所用的脱氯菌可在6.2～7.5的pH范围内生长，但在pH为7.2左右时的TCE降解能力最强［13］。因此，针对电气石对水溶液pH调节作用的研究具有重要意义，电气石对水溶液pH的影响见图2。由图2可见：电气石可使酸性溶液的pH增大，使之趋于中性，且随电气石加入量的增加，pH增幅加大；电气石同样对碱性溶液具有一定的调节作用，使其pH减小，且随电气石加入量的增加，pH降幅增大；与酸性水溶液相比，电气石对碱性水溶液的pH影响较小。酸性溶液pH增大是由于电气石具有永久极化效应，电气石表面吸附溶液中的H+使之转化为氢原子，再以氢气的形式释放；碱性溶液pH有所降低是因为表面金属离子解离和表面羟基化为电气石与OH-的电极反应提供了大量的正电荷，使电气石在溶液中呈现出强氧化性，可吸附OH-，从而导致碱性溶液的pH下降［14］。此外，电气石属硅酸盐矿物，其表面位的存在也可能影响到溶液pH［15-16］。综上所述，电气石在酸性和碱性条件下均具有使pH趋向于中性的特性，该特性可能会为脱氯菌提供良好的生存环境，以保证其对TCE的降解能力。

图2 电气石对水溶液pH的影响电气石加入量/（g·L-1）：● 0；■ 0.5；▲ 1.0；◆ 2.5；○ 5.0；□ 10.0

2.2.2 电气石对水溶液电导率的影响

在微生物生长代谢过程中，溶液电导率的增加可促进生长所必需的营养物质向生物体内的传递，从而有效促进微生物的营养和代谢［17］。电气石对水溶液电导率的影响见图3。由图3可见：电气石可使去离子水的电导率增大，且随电气石加入量的增加，电导率的增幅加大；加入时间为0～5 min时电导率迅速增大，随后趋于平缓。电气石具有自发电极特性，有许多电偶极体，与水作用会释放电子、传递电荷，从而提高水溶液的电导率［17］；而电气石在粉碎过程中产生的过量电荷（表面悬键）也可能对电导率的增加具有一定帮助［16］。综上所述，电气石可提高水溶液的电导率，该特性可能会促进脱氯菌的新陈代谢和菌群生长，从而提高其对TCE的降解速率。

2.3 脱氯菌降解TCE的影响因素

2.3.1 脱氯菌接种量

在不加电气石的情况下，在达到一定细菌浓度后，脱氯菌可在24 h内将20 mg/L的TCE迅速转化为顺式二氯乙烯（cis-DCE）和乙烯等产物，但为了给电气石提供足够的作用时间以体现其对脱氯菌降解TCE的影响，必须寻找一个适宜的脱氯菌接种量。脱氯菌接种量对TCE降解的影响见图4。图4中，ρ0和ρ分别为初始时刻和反应某一时刻的TCE质量浓度，mg/L。由图4可见，不加脱氯菌只加培养液的空白对照瓶内的TCE浓度几乎保持不变，而加入脱氯菌的反应瓶内TCE的降解速率随接种量的增加而加快。由于脱氯菌将中间产物cis-DCE继续转化为氯乙烯和乙烯还需较长时间，为避免反应时间过长同时又能体现出电气石的作用效果，故选取8%的接种量进行后续实验。

图3 电气石对水溶液电导率的影响

图4 脱氯菌接种量对TCE降解的影响

2.3.2 电气石加入量

在脱氯菌接种量为8%的条件下，电气石加入量对脱氯菌降解TCE的影响见图5。由图5可见：在未投加电气石时，脱氯菌能在120 h内将20 mg/L的TCE完全降解，而电气石的加入明显提高了降解速率；当电气石加入量小于5.0 g/L时，TCE降解速率随电气石加入量的增加而增加；当电气石加入量为10.0 g/L时表现出与5.0 g/L相近的降解速率甚至更低。这表明电气石的加入量并不是越多越有利，在脱氯菌接种量为8%的条件下，电气石加入量为5.0 g/L时对TCE降解速率的促进效果最佳，故后续实验选择电气石加入量为5.0 g/L。蒋侃等［7-8］发现，电气石对细菌的生长繁殖有明显的促进作用。这可能是由于电气石的自发电极及粉碎过程中产生的电荷不仅可为脱氯菌提供适宜的生存环境，还可促进细胞的新陈代谢、增强细胞活力。

图5 电气石加入量对脱氯菌降解TCE的影响

2.3.3 电子供体

对于脱氯菌，合适的电子供体是其生长的重要条件，正常情况下，该菌种不能在无电子供体的条件下降解TCE。在脱氯菌接种量为8%的条件下，甲醇和电气石的加入对脱氯菌降解TCE的影响见图6。

图6 甲醇和电气石的加入对脱氯菌降解TCE的影响● 空白对照体系；■ 外加甲醇体系；▲ 外加电气石体系

由图6可见：外加电子供体甲醇和外加电气石均可明显提高脱氯菌对TCE的降解速率，且外加电气石的降解效果更好；84 h时外加电气石体系的TCE已全部降解，而同一时刻的空白对照体系中TCE只降解了54.7%。这可能是因为：电气石的静电场作用可持续电解周围水分子，生成的氢离子从电气石电极之间的电流中得到电子生成氢气［11］，而氢气又是脱氯菌最直接的电子供体；此外，电气石还可促进脱氯菌的增殖和生长，并为其提供适宜的生存环境。因此，电气石有望作为电子供体取代氢气、甲醇等在地下水处理时存在安全隐患和带来二次污染的还原性物质，为脱氯菌降解TCE提供了一个新途径，这对地下水的修复具有重要意义。电气石已被成功应用于环境保护、饮用水净化、医疗保健等领域［18-19］，作为一种绿色环保矿物材料，它不会对环境产生不利影响。因脱氯菌生长繁殖必须在厌氧环境中进行，故对于除地下水外的其他水溶液（如工业废水），脱氯菌与电气石联合修复方法的应用需做进一步的深入研究。

3 结论

a）电气石可调节酸性和碱性水溶液的pH使之趋向于中性并提高水溶液的电导率，且电气石加入量越大效果越明显，该特性可能有助于脱氯菌对TCE的降解。

b）在脱氯菌接种量为8%、电气石加入量为5.0 g/L的条件下降解20 mg/L的TCE，84 h时TCE已全部降解，而未加电气石体系只降解了54.7%，说明电气石可促进脱氯菌对TCE的降解。在一定的范围内，随电气石加入量的增加，降解速率加快。

c）外加电子供体甲醇和外加电气石均可明显提高脱氯菌对TCE的降解速率，且外加电气石的降解效果更好。说明电气石可能在促进微生物生长繁殖的同时也能为其提供合适的电子供体（氢气），这对降解地下水中的TCE具有重要意义。

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（编辑 魏京华）

Effect of Tourmaline on Trichloroethylene Degradation with Dechlorinating Bacteria

Yue Junjie1，Wang Yuting1，Feng Xin1，Wang Wei2，3，Li Tielong2，3
（1. School of Environmental Science and Safety Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2. College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China；3. Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria，Ministry of Education，Nankai University，Tianjin 300071，China）

Trichloroethylene （TCE） in water was degraded with mixed dechlorinating bacteria mainly containing Dehalococcoides spp. using tourmaline as promoting material. The effect of tourmaline on TCE degradation were investigated. The experimental results show that：Tourmaline can adjust the water pH to neutral and increase the electrical conductivity of water；When the inoculation amount of dechlorinating bacteria is 8% and the dosage of tourmaline is 5.0 g/L，20 mg/L TCE can be completely degraded within 84 h，while only 54.7% of TCE is degraded without tourmaline；The degradation rates of TCE can be increased obviously in both systems with methanol and tourmaline，and the latter is better than the former，which indicates that tourmaline may not only promote the growth of microbes but also provide a suitable electron donor for them. This is signif i cant for degradation of TCE in groundwater.

tourmaline；Dehalococcoides spp.；trichloroethylene degradation；electron donor；groundwater

X523

A

1006 - 1878（2015）03 - 0226 - 05

2014 - 12 - 25；

2015 - 03 - 11。

岳俊杰（1977—），女，天津市人，博士，副教授，电话 022 - 60214185，电邮 yue_junjie@163.com。联系人：冯炘，电话 022 - 60214188，电邮 xfeng2100@tjut.edu.cn。

国家自然科学基金项目（31200396）；天津自然科学基金项目（14JCQNJC08500，12JCYBJC32200）；天津理工大学大学生创新创业训练计划项目（X2013010）；天津理工大学教学改革项目（YB12-28）。