微氧环境氯代烃生物降解的研究现状与展望

总结了微氧环境的生物氧化特性,系统调研了微氧环境中氯代烃(CAHs)的污染情况,发现地下水,土壤包气带,河床沉积物和垃圾填埋场等微氧环境场地存在广泛的CAHs污染.此外,研究归纳了氧调控下的CAHs降解途径,系统分析了微氧环境CAHs的转化特性、微生物活性及功能基因表达特征.总结发现微氧条件下氧对CAHs降解有5方面影响,CAHs降解速率甚至比好/厌氧条件下更高;微氧环境中好氧和厌氧降解菌能同时存在,多种微氧环境污染场地能同时检测到好氧功能基因(etnC和etnE)和厌氧功能基因(vcrA和bvcA),进一步表明好氧转化和厌氧脱氯能在同一时空发生.最后从监测装置开发、适应机制、转化机制和微生态演变规律4方面展望了未来的发展方向,结果为微氧环境的污染物转化研究及污染控制策略的制定提供了方向.

化学工程与工艺专业《环境工程原理》课程思政探索与实践

《环境工程原理》课程思政建设对环境工程人才培养至关重要。本论文聚焦化学工程与工艺专业环境工程人才培养目标,从科技创新,双碳计划和创新创业领域挖掘课程思政元素并开展实践。首先将个人科研成果引入教学内容,增强学生对基础研究到应用研究的系统认知;其次,针对国家双碳计划,详细介绍双碳目标的背景、意义、实现突击及挑战,通过课程论文的撰写增加学生对双碳的系统认知,培养学生的环境意识和国家责任感;最后,在在创新创业领域,通过分享创新创业故事,引导学生参与创新创业大赛,参与实习和学习创业,建立学生正确的创业和就业观。通过这些思政探索为培养环境工程领域的专业人才提供指导。

覆盖层氧气消耗通量模型及甲烷氧化能力预测

填埋场覆盖层生物气扩散规律和甲烷氧化能力的评估是甲烷减排研究的重要组成部分。以数值模拟方法分析了氧气在覆盖层中的扩散规律，得到了指数方程形式的氧气扩散模型（R2范围0.8941～0.9975）；通过检测有机碳和甲烷浓度变化进一步考察了模拟覆盖层不同深度的甲烷氧化能力，证实了在0.05～0.25 m范围内甲烷氧化活性最高；以Fick定律和轴向扩散模型推导了模拟覆盖层中氧气消耗通量模型，该模型计算得到的氧气消耗通量与覆盖层中微生物甲烷氧化经验方程相比无显著差异；结合以上模型推演出覆盖层甲烷消耗通量模型，与实际检测值相比，预测结果理想（R2=0.9983）。该成果可为揭示填埋场覆盖层生物气扩散规律、强化甲烷氧化能力以及预测甲烷排放提供新的思路和理论依据。

重庆工业园区土壤微生物群落结构及功能分析--以焦化厂土壤为例

研究了重庆工业园区焦化厂污染土壤的微生物群落结构及功能特性,检测了污染土壤中的多环芳烃和氯代芳烃种类和浓度,检测出11种多环芳烃和3种典型氯代芳烃,多环芳烃浓度范围为921~37 390 ng/g,氯代芳烃含量范围9 542~12 301 ng/g,其中1,4-二氯苯浓度最高;多样性测序结果表明污染土壤中微生物丰富度和多样性减少,实现了功能菌属的富集,随着污染物浓度增大,独有微生物数量呈倍数下降,污染浓度最高的样品中独有的微生物的重要菌属为Rhodanobacter;功能分析结果表明Pseudomonas,Rhodanobacter,Hydrogenophaga,Dyella和Xanthomonadaceae5种功能微生物具有降解多种多环芳烃和氯代芳烃的能力;表明污染土壤具有强的原位生物修复能力。

典型生活垃圾填埋场覆盖土微生物群落分析

采用第二代高通量测序技术Illumina MiSeq对典型生活垃圾填埋场覆盖土样（山东莱芜,SD;广东深圳,GD;上海老港SH;重庆长生桥,CQ）进行16S rDNA V3~V4区高通量测序,并分析了Alpha多样性、物种组成和丰度、菌群结构及环境因子对群落结构的影响.结果表明：取自垃圾填埋场GD土样的物种种类多于其他土样,GD,SD,SH,CQ土样的Shannon指数分别为5.52±0.026,4.76±0.030,4.89±0.037,3.4310.027;所有覆盖土样的优势菌为Alphaproteobacteria（α-变形杆菌纲）和Betaproteobacteria（β-变形杆菌纲）,所占比例范围分别为12.67%~25.54%,14.35%~18.88%;SD,GD和SH三种覆盖土样的优势菌为Sphingomonas（鞘氨醇单胞菌属）,分别占7.25%、10.67%、11.30%;Deltaproteobacteria（德耳塔变形杆菌纲）和Gammaproteobacteria（y一变形菌杆纲）的相对丰度分别与TN（r=1.00,P〈0.001）和TP（r=1.00,P〈0.001）呈正相关关系,且结合RDA图,TN,TP和OM含量可能是SD土样区别于其他土样群落组成的主要因素.

氯代烯烃胁迫下菌群SWA1的降解活性及群落结构

以填埋场覆盖土筛选的可高效降解三氯乙烯(TCE)的混合菌群SWA1为研究对象,考察了其对高浓度氯代烯烃的耐受性及微生物群落变化.SWA1对反-1,2-二氯乙烯(t-1,2-DCE),TCE和四氯乙烯(PCE)的最高耐受浓度分别可达580,250,500mg/L,远高于已报道菌株.生物降解研究结果表明SWA1可有效去除氯代烯烃,菌群生长到稳定期,对t-1,2-DCE的去除率高于90%.高通量测序结果和相关性分析显示不同氯代烯烃驯化后SWA1群落结构存在显著性差异,t-1,2-DCE共代谢生物降解中参与甲烷氧化和氯代烃降解的优势菌属分别为Methylophilus(相对丰度为17.4%~26.6%)和Methylomonas(相对丰度为31.7%~62.2%);TCE共代谢降解中参与甲烷氧化和氯代烃降解的优势菌属分别为Methylophilus(相对丰度为26.9%~46.3%)和Methylocystaceae(相对丰度为1.7%~33.4%).群体感应分析表明微生物间互利共生关系促进了SWA1的生物氧化.

填埋场覆盖土对典型氯代烃的吸附特性

覆盖土吸附能力的有效评估对填埋场中挥发性氯代烃(VCHs)污染物的控制有重要意义.全面考察了二氯甲烷(DCM)、三氯甲烷(TCM)、1,1,2-三氯乙烷(1,1,2-TCA)、四氯化碳(CT)、顺-1,2-二氯乙烯(c-1,2-DCE)、三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)和氯苯(CB)8种VCHs在填埋场覆盖层中的吸附特性.结果显示,氯代烷烃和氯代芳烃在覆盖层土壤中吸附等温线符合Freundlich模型(R^2=0.65~0.87),氯代烯烃在覆盖层土壤中吸附等温线符合Langmuir模型(R^2=0.87~0.96).基于拟合结果预测了覆盖土对VCHs的吸附能力,结果表明VCHs的吸附速率随氯取代数的增多而增大;具有相同氯原子取代数目的氯代烃,覆盖土对氯代烯烃和氯苯的吸附量大于氯代烷烃.因此,在填埋场运行管理中,VCHs中浓度较高的氯代烷烃应该是优先治理的污染物之一.覆盖土中VCHs的吸附平衡时间约为20h,吸附速率变化范围为26~250μg/(gsoil·h),远高于文献报道中覆盖土对VCHs的最大降解速率.可以推断,强化覆盖土的生物氧化活性可更有效减少VCHs对环境的不利影响.

甲烷氧化菌群共代谢降解TCE的动力学研究

好氧降解三氯乙烯(trichloroethylene,TCE)是一种经济有效且环境友好的生物修复技术。从矿化垃圾中富集了甲烷氧化菌群,并利用其静息细胞进行了共代谢降解TCE的研究。当TCE初始浓度为45.5 mg/L,菌体浓度C x为1.728 g/L时,降解率可达到79%。该菌群对TCE有较强的耐受性和亲和性,降解TCE的动力学符合Monad模型。拟合结果表明:最大比消耗速率q s,max为1.51×10-4min-1,半饱和常数K S为2.58 mg/L(R2=0.961)。

异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯合成

以异辛醇聚氧乙烯醚、P2O5 为主要原料 ,合成异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯 ,探讨了原料摩尔比、酯化温度、酯化时间、水解方式和时间对酯化反应影响 ,确定了最佳工艺条件。异辛醇聚氧乙烯醚 (n=4)与P2O5 的摩尔比为3.5:1,酯化温度65℃ ,酯化时间3h ,水解0.5h ,该条件下合成产品酯化率达96 % ,产品耐碱性大于200g/L,沉降时间小于10s。

双子表面活性剂的制备及其对A3碳钢缓蚀性能的影响

以二甲基十二烷基叔胺和溴代烷为初始原料,成功合成了含有不同连接基的双子阳离子表面活性剂,并采用失重法研究其对A3碳钢缓蚀性能的影响。研究结果表明:连接基对缓蚀性能有较大的影响,连接基越短,缓蚀效果越好。通过实验所得数据对其缓蚀机理及模型进行了推导,结果表明其吸附模型符合Langmuir吸附模型。

高通量测序技术在环境微生物领域的应用与进展

环境微生物在维持环境生态系统平衡、消除次生环境污染等领域起着重要作用,其中群落结构及多样性研究和分析是揭示其代谢规律和生态响应的重要手段。近几年高通量测序技术的出现和日趋成熟,为该领域研究的深入开展提供了契机。据此,概述了高通量测序技术的发展史,并比较了不同测序平台的特点。结合最新进展和课题组实验研究,阐述了高通量测序技术在典型环境介质中的应用,包括:大气(空气)中环境微生物的污染治理和对空气质量的评估;天然水体中环境微生物的物质循环和次生水体的污染治理与环境修复;土壤环境微生物多样性变化、功能菌株构建筛选等方面的研究进展。最后展望了高通量测序技术在环境微生物领域的未来研究方向,指出了目前所存在的问题。

典型污染物包覆层中氯仿的沿程生物转化机制

为明晰氯仿(CF)在包覆层中的降解过程,构建了模拟覆盖层系统(SLCS),并结合高通量测序技术首次系统分析了CF在SLCS中的沿程生物转化机制,结果表明,覆盖层可根据氧气含量分为有氧区(0～20cm)、缺氧区(20～40cm)和无氧区(>40cm).高通量测序分析表明,有氧区的优势菌为甲烷氧化菌,其中Ⅰ型菌Methylobacter(甲基杆菌属)及Ⅱ型菌Methylosinus(甲基弯菌属)居多,缺氧区甲烷氧化菌的相对丰度为13%左右,缺氧和无氧区中Anaeromyxobacter(厌氧粘细菌属)成为了优势CF厌氧降解菌.CF在有氧、缺氧和无氧条件下均有效降解.在缺氧和无氧区,CF经厌氧还原脱氯转化为二氯甲烷,部分二氯甲烷在Dehalobacter(脱卤素杆菌属)作用下产生乙酸盐、H_2和CO_2.在有氧区,其余二氯甲烷通过甲烷氧化菌共代谢降解.改变进气口通量发现,SLCS对甲烷的去除率与通量呈负相关关系(R^2=0.80),但甲烷氧化速率与通量呈正相关关系(R^2=0.90).与甲烷类似,SLCS对CF的去除率与进气口通量呈负相关关系(R^2=0.86),但降解速率与进气口通量呈正相关关系(R^2=0.89).此外,进气口通量的增加对CF好氧共代谢降解的促进作用大于厌氧还原脱氯降解.该研究对氯代烃类污染物的降解提供了新的基础,对该类污染物的原位生物修复提供了理论依据.

同化和共代谢降解氯苯菌株的筛选与特性研究

基于污染场地,筛选了一株可降解氯苯(CB)的微生物,经鉴定该菌株属于粘质沙雷氏菌属(Serratia marcescans),命名为Serratia marcescans TF-1.同化降解结果表明,该菌株能够在有氧的条件下以CB为唯一碳源和能源,菌体平均增长速率为0.0063~0.022g_(cell)/(mol_(CB)·h),最大比生长速率(μ_(max))为0.015~0.42h^(-1),CB降解速率(V_(CB))为1.35~4.47mol/(g_(cell)·h),菌株对CB最高耐受浓度高于200mg/L.共代谢降解结果显示,TF-1可以琥珀酸钠和柠檬酸钠为底物共代谢降解CB;氯苯浓度(c_(CB))<80mg/L时,μ_(max(柠檬酸钠))(0.21~0.87h^(-1))>μ_(max(琥珀酸钠))(0.20~0.81h^(-1)),V_(CB(柠檬酸钠))(0.15~0.47mol/(g_(cell)·h))<V_(CB(琥珀酸钠))(0.17~0.48mol/(g_(cell)·h));cCB>80mg/L时,μ_(max(柠檬酸钠))(0.086~0.21h^(-1))<μ_(max(琥珀酸钠))(0.17~0.25h^(-1)),V_(CB(柠檬酸钠))(0.61~1.11mol/(g_(cell)·h))>V_(CB(琥珀酸钠))(0.56~0.95mol/(g_(cell)·h)),表明共代谢降解过程中,CB浓度,底物种类是调控污染降解的重要因素.最后考察了温度、pH值和接种量对TF-1降解CB的影响,结果发现,该菌株适宜生长的温度范围为20~35℃,最适温度为30℃;适宜生长pH值为5~9,最适pH值为7;最适接种量为5%.与现有菌株比较发现TF-1的温度和pH值适用范围更广,降解能力更强,污染物耐受浓度更高,既能同化又能共代谢降解CB,在贫营养和富营养污染场地中应用潜力更大.本研究可为原位CB污染场地修复提供有效的生物资源.

复合污染中氯代脂肪烃对沙雷氏菌降解氯苯影响及其抑制动力学研究

开展复合污染条件下氯苯(CB)的降解能力及抑制特性研究对污染控制十分重要。基于已分离的功能菌株沙雷氏菌Serratia marcescen TF-1,开展了典型氯代脂肪烃对降解CB抑制特性的研究。结果表明:存在二氯甲烷(DCM)、二氯乙烷(1,2-DCA)、三氯乙烷(1,1,2-TCA)的条件下,CB平均降解速率分别为0.669、0.463、0.350 mg/(L·d),氯代烷烃对TF-1降解CB有较强的抑制作用;存在三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)的条件下,CB平均降解速率分别为0.974、0.556 mg/(L·d),氯代烯烃对TF-1的抑制较弱。DCM、1,2-DCA、1,1,2-TCA、TCE和PCE的半数抑制效应浓度(EC_(50))分别为3.42、3.16、3.12、6.75和3.16 mg/L,表明氯代烷烃的抑制作用更强,1,1,2-TCA最强。抑制动力学拟合表明:氯代脂肪烃对TF-1降解CB表现为非竞争性抑制,抑制剂与酶非活性位点结合,而后阻碍底物与活性位点结合,污染处理中需首先考虑去除抑制剂。DCM、1,2-DCA、1,1,2-TCA、TCE和PCE抑制作用下解离系数K_(I)分别为19.2、9.96、7.45、13.05和10.58 mg/L,说明氯代烷烃结构复杂毒性越强;随着氯原子数目的增多,抑制作用显著增强。

典型重金属对氯苯类有机物生物转化影响及分子机制研究进展

重金属和有机物相互作用,形成共污染,是当今面临的重要环境问题之一。明晰重金属作用下氯苯类化合物(chlorobenzenes,CBs)的转化特性以及典型重金属对CBs生物降解的影响机制,对有效修复重金属-有机物共污染有重要意义。本文首先对CBs生物降解的研究现状进行了总结,明晰了当前CBs降解的主要功能菌属类型,包括伯克霍尔德菌(Burkholderia),假单胞菌(Pseudomonas),脱卤球菌(Dehalobium)和脱卤拟球菌(Dehalococcoides)等;而后概述了重金属与CBs的共污染现状,发现绝大多数污染中存在重金属与CBs共污染现象;随后系统综述了典型重金属对CBs生物转化的影响,表明好氧或厌氧条件下大多数重金属离子对CBs生物转化存在抑制作用,受金属离子种类、浓度、价态及pH影响显著;另外,对重金属影响下的CBs转化机制进行了分析,基于3方面影响构建了分子机制模型。最后对目前还存在的问题与局限性进行了分析,并对未来发展方向进行了展望,以期为重金属-有机物共污染的修复提供支撑。

专一营养与兼性甲烷氧化菌降解氯代烃的研究现状、动力学分析及展望

生物修复技术被认为是氯代烃类污染物处理处置的最有效途径之一,而甲烷氧化菌在该领域表现出较大的应用潜力。近期研究发现,突破了仅能利用单碳化合物的局限,兼性甲烷氧化菌能够利用多种底物降解氯代烃,这一独特的新陈代谢特性,使其在污染物生物处置领域逐渐受到关注。结合本课题组研究成果,对甲烷氧化菌降解氯代烃进行了全面总结,主要包括:分析了不同菌株(纯菌株和混合菌株)对不同氯代烃的降解效果;比较了不同类型甲烷单加氧酶在不同底物体系中的活性表达和催化特性;总结了模型菌株甲基弯菌Methylosinus trichosporium OB3b降解氯代烃的动力学特性;概述了兼性甲烷氧化菌株降解氯代烃的特性及其应用潜力;最后讨论了甲烷氧化菌降解氯代烃存在的问题及未来发展方向。

覆盖层甲烷氧化动力学和甲烷氧化菌群落结构

基于实际填埋场覆盖土建立了可实时在线监测生物气的模拟覆盖层系统,连续监测了不同垂直梯度生物气浓度变化.甲烷通量不变时,覆盖层内不同梯度生物气浓度基本保持不变,系统持续稳定运行,甲烷通量变化后2~3 h生物气可再次持续稳定.考察了覆盖层甲烷氧化特性与甲烷通量的关系,深度大于20 cm,氧气浓度随甲烷通量的增大呈减小趋势,表层氧气浓度与甲烷通量无相关性,不同梯度的甲烷氧化速率与甲烷通量呈正相关(R2变化范围0.851~0.999).为避免覆盖土脱离系统环境造成的误差,以动态连续监测结果为基础,利用双基质Michaelis-Menten方程拟合了覆盖层甲烷氧化动力学(R2范围为0.902~0.955),得到覆盖土半饱和常数Km为0.157~0.729,Km随深度的增加而增大.利用高通量测序技术分析了原始覆盖土和经模拟覆盖层运行后的甲烷氧化菌群落结构,运行后甲烷氧化菌OUT数量显著增多,优势菌群为Ⅰ型菌的Methylobacter和Methylophilaceae及Ⅱ型菌Methylocystis.

覆盖土催化甲烷生物氧化的材料优选与动力学模型

填埋场覆盖材料在甲烷减排中起至关重要的作用,但覆盖材料的筛选及其生物特性的有效评估仍存在困难。以重庆地区填埋场覆盖土为甲烷氧化材料建立反应器,通过材料复配和含水量等影响因子优化手段强化了氧化效果,最大甲烷氧化效率高达32.40 mol·(d·m^2)^(-1)。以经典Monod方程和固定床轴向扩散模型为基础,推演了反应器中甲烷的迁移转化过程,以稳态方程对监测结果拟合,结果十分理想(R2=0.94~0.99),能够较好地描述甲烷在反应器中的扩散和氧化过程。甲烷浓度为13%~28%时,推演半饱和常数KS为0.007~0.016 g·L^(-1),与以往报道(KS为0.06~2.07 g·L^(-1))相比表明该覆盖材料对甲烷有较强的亲和氧化能力。该研究成果为覆盖材料的优选和生物特性评估提供了指导。

铜离子对混合菌群降解三氯乙烯的影响与机制分析

在三氯乙烯(TCE)胁迫条件下,从生活垃圾填埋场覆盖土中富集得到了可高效降解TCE的混合菌群SWA1。考察了铜离子浓度0-15μmol/L范围内混合菌群对TCE的降解,当铜离子浓度为0.03μmol/L时,降解速率最大为29.60 nmol/min,降解率达95.75%。此条件下的pmo A和mmo X表达量均达最大值,pmo A的相对表达量(4.22 E-03)比mmo X(9.30 E-06)和Lmp H(0)高3个数量级。在0-0.75μmol/L和1-15μmol/L两个铜离子浓度区间,分别出现了TCE降解峰值,高通量测序结果表明,甲基孢囊菌科Methylocystaceae的甲烷氧化菌为优势微生物。随着铜离子浓度提高,混合菌群SWA1生物多样性显著降低。铜离子浓度的变化影响了混合菌群的结构和活性,进而影响了TCE降解机制。当铜离子浓度为0.03μmol/L时,降解机制包括TCE直接降解和甲烷氧化菌共代谢降解。当铜离子浓度为5μmol/L时,降解率可达到84.75%。此时,降解机制包括TCE直接降解以及甲烷氧化菌和含苯酚羟化酶菌群的共代谢降解。

可降解TCE的甲烷氧化菌16S rDNA与pmoCAB基因簇序列分析

甲烷氧化菌可高效催化甲烷和多种氯代烃降解,开展甲烷单加氧酶的基因簇序列分析研究有助于深入了解催化机理,并提升其在污染物生物降解领域中的应用价值。以甲烷为唯一碳源富集分离甲烷氧化菌,取5种氯代烃作为共代谢基质考察其降解情况,利用MEGE5.05软件构建基于16S r DNA的系统发育树对所选菌株进行初步鉴定,用半巢式PCR法分段扩增菌株的颗粒性甲烷单加氧酶(p MMO)基因簇并进行T-A克隆测序,通过Ex PASy计算p MMO三个亚基的理论分子量。筛选到了一株甲基孢囊菌Methylocystis sp.JTC3,在三氯乙烯(TCE)初始浓度为15.64μmol/L条件下,反应5 d后降解率可达93.79%。经扩增、测序、拼接得到了3 227 bp的pmo CAB基因簇序列,包括771 bp的pmo C基因、759 bp的pmo A基因、1 260 bp的pmo B基因和2个非编码中间序列,所对应γ、β、α亚基理论分子量分别为29.1 k Da、28.6 k Da和45.6 k Da。通过Blast比对发现Methylocystis sp.JTC3的pmo CAB基因簇序列与Methylocystis sp.strain M的pmo CAB一致性较高,其中pmo A的序列相对保守。JTC3菌株可高效降解TCE,对pmo CAB基因簇序列的详细分析可为p MMO活性中心特征、氯代烃类底物选择性等方面的深入研究提供信息数据基础。