活性包埋菌对室内空气中甲醛和苯系物的净化应用研究

袁琳嫣

上海质量监督检验技术研究院 （上海 201114）

节能环保

活性包埋菌对室内空气中甲醛和苯系物的净化应用研究

袁琳嫣

上海质量监督检验技术研究院 （上海 201114）

甲醛和苯系物是室内空气主要污染物，对人体有致癌作用，严重危害人体健康。主要研究了活性包埋菌对室内空气中甲醛和苯系物的净化性能。选用两种不同的活性包埋菌，对其表面官能团、表面形貌进行了表征。采用液相衍生、气相顶空的方法评估了其对甲醛和苯系物的吸附降解性能。结果表明，活性包埋菌对甲醛和苯系物的降解能力主要取决于载体对包埋菌的生物相容性、载体亲水性及对污染物的生物耐受性。此外，在净化前期要充分驯化活性包埋菌，使其达到最佳状态。

活性包埋菌 室内空气净化 甲醛 苯系物

20世纪70年代全球能源危机爆发以后，部分发达国家率先提出了室内空气质量的理念。随着经济的发展和节能要求的提高，装潢和家具造成的室内污染持续剧增,房屋封闭性的提升使空气难以流通，从而导致室内空气污染物致使人员中毒的恶性事件频频出现[1-3]。

室内空气污染物主要来自于室内的建材和家具，家用燃气的不完全燃烧、吸烟等人类生活中伴随而生的空气污染物和室外空气中的侵入污染物。无机气态污染物（如二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等）对于人体健康的危害多半在呼吸器官（如肺），但是无累计性；而室内甲醛、苯系物等有机物污染对人体有致癌作用，严重危害人体健康。

随着生物材料的日益发展，固定化包埋菌作为生物强化手段在降解室内空气污染物方面具有如下几点优势：包埋细菌密度大，流失少,处理效率高，产物易分离、反应过程易控制，能够连续和重复使用以及外界条件变化对包埋菌影响小等。这些特点决定了固定化包埋菌是一种高效低耗、结构紧凑，运转管理方便和发展前景广阔的空气净化处理固定化生物技术[4]。

微生物吸附净化污染物的原理为：有机污染物被微生物吞噬之后，通过其新陈代谢作用被分解，为其维持稳定的生命活动提供所需营养[5]；污染物被转化之后，还可以合成新的原生质（或称细胞质）的组成成分，促进微生物本身生长繁殖，避免了物理吸附饱和问题，能够长期循环使用。固定化微生物大多应用于水污染处理，如采用聚乙烯醇和活性炭复合材料制成的固定化污泥处理含酚废水，进水酚含量达250 mg/L时，净化率达到99.8%，处理后的废水可达到国家排放标准[6]。

目前，活性包埋菌主要用于净化氨、氮、苯酚含量高的污染水源。在空气净化方面，对挥发性有机物甲醛和苯系物的净化性能研究未见报道。未来可以结合各自优势研究开发生物复合材料来解决室内环境污染问题。

1 实验材料

1.1 活性包埋菌的制备

取某污水处理厂的活性淤泥作为包埋菌的菌种源，将其置于离心机上，以5500 r/min的转速浓缩，舍弃清夜，所得浓缩污泥待用。浓缩后的污泥呈褐色粘稠状，并带刺激性气味。采用不同的聚丙烯酰胺类材料［聚丙烯酰胺（PAM）＋甲基聚丙烯酸酯（PMMA）］为主要的包埋材料，将其溶解在水中（120 mg/mL），加入活性淤泥（40 mg/mL），充分搅拌均匀；向混匀好的混合物中加入一定量的交联剂N，N－亚甲基双丙烯酰胺（BIS）（8 mg/mL），光引发剂及磷酸缓冲盐（pH=7.4）；充分混匀后，在紫外灯光源下照射4 min，固化放置一天。完全反应后，流动状的液体转变为鱼冻胶状，润滑且有弹性。将固定化的活性淤泥分割成边长为3 mm的立方体，用流水将其漂洗干净。1#载体呈乳白色，2#载体呈浅褐色。

1#包埋菌载体带有更多的甲基（—CH3），甲基具有疏水性和一定的刚性，对于长链聚合物的自由旋转有一定的空间位阻效应，导致凝胶网络结构的溶胀受阻，聚合物载体的水合作用变差。另外，1#载体有更多的酯基，酯基属于非离子型亲水基团，几乎不发生电离，合成的聚合物链与链之间的相互作用较弱，网状结构膨胀小，导致可容纳水分的空间小。因此，1#载体的亲水性和生物相容性一般。而2#包埋菌载体带有更多的亲水基团羧基（—COOH），其在水中呈离子（COOH-）状态，负离子之间的排斥作用使聚合物载体溶胀，可容纳水分的空间变大，故2#载体的亲水性和生物相容性较好。

水是固定化包埋菌进行生物化学反应的基础，固定化包埋菌的增长需要各种丰富的养分，但唯有水能被包埋菌菌体内的细胞质膜所接受，在细胞内进行合成和基础代谢。包埋菌所含有的水既有“键合”水，又有“中间水”，还有大量“自由水”[7]。

1.2 活性包埋菌的驯化

1.2.1 甲醛水溶液的驯化

制备好的包埋菌均无刺激性气味，都能沉淀在容器底部，有很好的分离沉淀性能。以10%（体积分数）的填充率将包埋菌放入250 mL圆底烧杯中，将氧气管伸入烧杯底部进行曝气，使包埋菌能在烧杯中流化。加入250 mL质量分数为100 μg/g的甲醛水溶液进行室温驯化。驯化初期，由于活性包埋菌降解甲醛的能力较弱，需2～3 d换一次水（100 μg/g的甲醛水溶液）；驯化中期，随着处理效果的提升，可以每天换水，每次换水前需将所用容器和曝气管清洗干净。

驯化5 d天后，每天换水加入100 μg/g甲醛水溶液250 mL，第二天取样采集数据。期间，通过一定的时间间隔进行采样，分析监测烧杯内甲醛质量分数的变化，从而确定包埋菌的驯化状态。活性包埋菌完成在100 μg/g甲醛水溶液中的驯化后，按上述方法继续进行250 μg/g甲醛水溶液和500 μg/g甲醛水溶液的驯化。

1.2.2 苯系物水溶液的驯化

用同样的方法，在100 μg/g的苯系物水溶液中进行活性包埋菌的驯化，直到活性包埋菌体系运行稳定，苯系物残留质量分数不再变化，则认为可进行下一步的性能测试实验。

1.2.3 两种污染物（甲醛和苯系物水溶液）的驯化

将已接受甲醛驯化（一个月）的两种包埋菌继续进行苯系物的驯化（一个月），驯化过程和驯化完成节点参照甲醛和苯系物的单一驯化。

2 实验与方法

2.1 实验仪器和试剂

Haake MarsIII流变仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；VarioMICROcube元素分析仪，Elementar公司；Axio光学显微镜，卡尔蔡司光学（中国）有限公司；XS205电子天平，梅特勒-托利多公司；6890N气相色谱仪（配氢火焰离子化检测器）、7697顶空进样器、1100高效液相色谱仪，安捷伦科技（中国）有限公司。

甲醛、2,4－二硝基苯肼，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；磷酸，色谱纯，Fluka公司；水、乙腈、丙酮、二甲苯、甲苯，色谱纯，J.T.Baker公司，甲醛－DNPH标准品（1.0 mg/mL），Supelco公司。

2.2 分析方法

用高倍显微镜观察驯化前后两种不同载体活性包埋菌的微观结构。

利用高效液相色谱监测活性包埋菌对空气中甲醛的净化性能。色谱柱：Alltima C18柱（4.6 mm× 250 mm×5 μm）；流动相：溶剂A为水，溶剂B为乙腈；梯度洗脱参数：0～6 min，60%B，12 min 100%B（保持4 min）；检测波长：365 nm；进样量：20 μL；流速：1.2 mL/min；柱温：30℃。

利用顶空气相色谱检测活性包埋菌对空气中苯系物的净化性能。色谱柱：HP-5弹性石英毛细管柱（30 mm×0.32 mm×0.25 μm）；进样口温度：250℃；氢焰离子化检测器（FID）检测室温度：280℃；升温程序：80℃（5℃/min）→260℃(10℃/min）→280℃（2min）；载气（高级氮）压力：15 kPa；进样方式：分流（5∶1）模式，1.0 mL/min。

自动顶空条件：选用1 mL顶空空气密针；顶空瓶加热器温度为90℃；样品环温度为130℃；传输管线温度为150℃；平衡时间：15，30，60 min。

称取约2 g不同载体的活性包埋菌1#和2#，分别放在20 mL顶空瓶中，然后立刻用聚四氟乙烯银色铝盖密封压紧（模拟封闭的室内环境）。以甲醛和苯系物的残留质量分数来衡量包埋菌的净化能力。

3 结果与讨论

3.1 活性包埋菌的微观结构

利用高倍光学显微镜观察1#，2#包埋菌分别在100，250，500 μg/g甲醛水溶液中驯化后的形貌，结果如图1、图2所示。从图中可以看出，经过驯化后，包埋菌体内细菌密度大幅度提高，细菌的凸起增大，体积变大。2#包埋菌有更多的大小不同的孔隙结构，结构里有许多大小不一、不同形状的细菌。营养物质被牢牢锁在孔隙中，并能够防御水动力的袭击，非常有助于包埋菌生存。此外，2#活性包埋菌有许多比较明显的突起，说明细菌与包埋载体结合得更好，菌体密度高、耐受力强。

图1 1#包埋菌在不同甲醛水溶液中驯化后的微观结构

图2 2#包埋菌在不同甲醛水溶液中驯化后的微观结构

3.2 活性包埋菌的驯化成果

从图3可以发现，在100 μg/g的甲醛水溶液中驯化12 h后，甲醛的去除率才能达到90%以上；在250和500 μg/g甲醛水溶液中驯化12 h后，甲醛去除率才能达到80%左右。由于实验所用包埋菌在进入驯化期之前，载体内部能够降解甲醛的细菌量少，处理甲醛的能力低，所以实验前需要进行驯化。因为包埋菌只有在充足的氧含量和相应的营养物质下才能进行生长繁殖，使活性和净化效率达到最佳效果。驯化使微生物的数量不断增加，从质和量两个角度缩短达到理想净化效果的过程。驯化48 h后，活性包埋菌在不同甲醛水溶液中去除甲醛的能力都能达到98%。驯化后的活性包埋菌对甲醛水溶液已经具有耐受性，可以尝试在离开充足的氧含量和水的情况下，考察其对甲醛和苯系物气体的净化性能。

3.3 两种不同活性包埋菌对空气中甲醛的净化效果

从图4可以发现，甲醛质量浓度较低时，视为室温下瞬时完全气化成甲醛气体，2 h后，2#包埋菌对甲醛气体的去除率大于1#包埋菌；由于生物代谢需要一定的时间，因而可持续降解甲醛。

从图5可以看出，在80 mg/mL甲醛空气中，2 h内甲醛气化并不充分。1 d以后活性包埋菌降解甲醛的能力依次为：1#受两种污染物驯化＞2#受单一甲醛的驯化＞2#受两种污染物驯化＞1#受单一甲醛的驯化；对于甲醛驯化活性包埋菌来说，2#包埋菌净化效果优于1#包埋菌；对于两种污染物驯化活性包埋菌来说：1#包埋菌的耐受性优于2#包埋菌。

2#活性包埋菌载体生物相容性好，机械强度高、不易碎，对微生物细胞无毒，具有极好的流变学性能和优良的传质性能。载体中含有羧基等弱酸性官能团，可促进对极性分子的吸附。与此同时，载体空间内孔隙度较大，既能对微生物细胞起到保护作用，承受不断增殖的细胞，使细菌利用水中的污染物不断进行繁殖，又可提供菌体代谢的最佳转运途径。1#活性包埋菌载体生物相容性较差，机械强度低，易碎，使用寿命短；载体凝胶过分致密，增加了载体基质和产物的传质阻力；水合作用也相对比较差，导致在驯化和净化处理甲醛时均受到相应影响。

将同时接受两种污染物驯化的包埋菌进行对比，2#包埋菌接受两种污染物驯化后降解甲醛的性能变差，可能是因为苯系物不亲水，而2#包埋菌材料亲水性更好，所以产生传质阻力，从而影响了对甲醛的降解。也可能是因为2#包埋菌有较强的选择能力，比较适合处理单一污染物。

3.4 两种不同的活性包埋菌对苯系物的净化效果

采用2种活性包埋菌对1 μg苯系物气体进行净化，残留含量如图6所示。?

图3 100 μg/g（a）、250 μg/g（b）、500 μg/g（c）甲醛水溶液净化后残留甲醛质量分数

图4 活性包埋菌2 d内对4 mg/mL*甲醛气体的净化效果

图5 活性包埋菌7 d内对80 mg/mL甲醛气体的净化效果

图6 活性包埋菌对苯系物的降解效果

图6表明，对于甲苯来说，2#活性包埋菌降解能力优于1#活性包埋菌，而且随着时间的延长，苯系物残留量明显降低。对于二甲苯来说，由于2#包埋菌接受两种污染物的耐受性差，二甲苯包括邻、间、对三种结构，且其亲水性比甲苯差，所以1#活性包埋菌降解能力优于2#活性包埋菌。接受两种污染物驯化的包埋菌，同样也是1#包埋菌的净化性能更高。相对于甲苯，活性包埋菌对于二甲苯的处理效果较差。这可能是二甲苯的生物降解性能更差（见表1）的缘故，但是，包埋菌本身没有吸附降解饱和度，可以持久地发挥去除气体中污染物的作用。

表1 苯系物在不同的氧化还原条件下的生物降解性

4 总结与展望

活性包埋菌通过新陈代谢作用能够分解空气中的有机物并代谢出抗氧化物质，凭借彼此间的共生增殖及协同效应保持微生态系统的稳定性，其降解性能受载体制备的难易程度，是否对生物有毒害作用，与菌体的结合力，菌体活性在载体的保护下是否会受到损伤，活性包埋菌的环境适用性和稳定性、传质性能以及对污染物的选择性等影响。适合的载体可以将微生物细胞固定在载体之上，使其存留在挥发性气体中的时间更长。载体的阻隔作用使微生物固定化后与底物的传质速率受到阻碍，所以当包埋法处理的生物系统与有毒有害物质接触时，由于微生物细胞密度高，抵抗能力强，削弱了有毒有害物对微生物的冲击，安全性大大增加。

固定化微生物空气净化技术是净化室内空气中挥发性有机物和空气中含氮、酸等异味源的最新研究方向。固定化微生物材料可以异味源和挥发性有机物为营养进行繁殖，长效去除异物和空气中的有害物质，且无二次污染，为利用微生物材料治理环境污染物奠定了基础。

[1]LJ MAZUR,J KIM.Spectrumofnoninfectious health effects frommolds[J].Pediatrics,2006,118(6):1909-1926.

[2]J SHAHAM,Y BOMSTEIN,R GURVICH,et al.DNA-protein crosslinks and p53 protein expression in relation to occupational exposure to formaldehyde[J].Occupational and Environmental Medicine,2003,60(6):403-409.

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[7]乔向利,刘哲,刘志伟,等.光引发制备包埋菌对处理低浓度氨氮废水的影响[J].化工进展,2009(28):163-168.

Purification of Formaldehyde and Benzene Compounds in Indoor Air by Active Immobilized Bacteria

Yuan Linyan

Formaldehyde and benzene compounds are the main pollutants in indoor air,which have carcinogenic effects on human body and seriously endanger people′s health.The purification of formaldehyde and benzene compounds in indoor air by active immobilized bacteria was studied.Two kinds of active immobilized bacteria were chosen,and their surface functional groups and surface morphology were characterized.The adsorption and degradation properties of formaldehyde and benzene compounds were evaluated by means of HPLC derived method and HS-GC test method.Results showed that the degradation ability of active immobilized bacteria to formaldehyde and benzene compounds mainly depended on the bio-compatibility between the carriers and active immobilized bacteria,carriers′hydro-philicity and the bacteria′s biological tolerance.In addition,thorough domesticate the active immobilized bacteria to the best state during the early stage of purification was a crucial factor.

Active immobilized bacteria;Indoor air purification;Formaldehyde;Benzene compounds

X5

2017年5月

袁琳嫣 女 1987年生 硕士 助理工程师 研究方向：材料