中国环境科学 2021,41(4)：1704~1710 China Environmental Science 异化Mn(IV)还原耦合降解卡马西平及双氯芬酸 翟俊*，胡炜，王泉峰，尹雪娇，陈妮(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045)
摘要：本文以卡马西平(CBZ)和双氯芬酸(DCF)2种代表性有机药物作为目标污染物，嘉陵江沉积物中提取的微生物作为菌源，利用锰矿物为填料的厌氧生物滤柱探究了异化锰还原过程对CBZ和DCF的处理效果.同时研究了外加有机碳源(乙酸钠)和MnO2对异化锰还原去除CBZ和DCF过程的影响.结果表明，在无外加乙酸钠和MnO2时，厌氧生物滤柱对10µg/L的CBZ和DCF能分别实现25.23%和32.44%的去除.其中异化锰还原贡献的去除率分别为2.81%和14.87%，而外加0.5g/L乙酸钠和25g MnO2均能提高异化锰还原过程中对CBZ的处理效果(分别提高6.35%和4.63%)，但对DCF的去除无显著影响.本试验可为难降解有机药物的降解提供新的思路. 关键词：卡马西平；双氯芬酸；异化锰还原
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2021)04-1704-07
Degradation of carbamazepine and diclofenac via dissimilatory Mn(IV) reduction. ZHAI Jun*, HU Wei, WANG Quan-feng, YIN Xue-jiao, CHEN Ni (Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Reg
ion’s Eco-Environment, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Environmental Science, 2021,41(4)：1704~1710
Abstract：In this paper, the degradation of two target pharmaceuticals, carbamazepine (CBZ) and diclofenac (DCF), via dissimilatory Mn(IV) reduction was investigated in an anaerobic biological filter filling with manganese ores. The sediment from Jialing River was used as inoculum of the filter. Effects of extra organic carbon (sodium acetate) and adding extra MnO2 on degradation were also studied. The results indicated that the anaerobic biofilter column could achieve 25.23% and 32.44% removal of CBZ and DCF from 10µg/L, respectively, with no extra sodium acetate or MnO2 added. The contribution of dissimilatory Mn(IV) reduction to total CBZ removal was only 2.81% while that to DFC was 14.87%. Adding 0.5g/L of sodium acetate or 25g of M nO2 could improve the removal efficiency of CBZ by 6.35% and 4.63%, respectively, through dissimilatory Mn(IV) reduction, while no significant effect on the DCF removal was observed. This study could provide a new idea for the degradation of resistant organic pharmaceuticals.
Key words：carbamazepine；diclofenac；dissimilatory manganese reduction
有机药物是一种新兴的水体污染物，由于其代谢稳定性高，具有较高的生物降解抗性，其潜在影响不
容忽视[1-3].另外，随着人口的增长和人类对药物的依赖性，环境中药物的种类和浓度也在逐渐增加[4-5].卡马西平(CBZ)是一种用于控制癫痫发作和各种心理的常用药物[5-6].双氯芬酸(DCF)是最常用的止痛药和非甾体类抗炎药之一[7-9].在所有药物化合物中,CBZ和DCF也是水环境中检出频率很高的两种化合物，在污水厂出水中检测浓度分别可高达6.3µg/L和2.1µg/L，因此CBZ和DCF常用于表征有机药物污染的指标性物质[10-12].
传统的污水厂工艺难以对有机药物进行有效的去除，而目前常用的如高级氧化，活性炭吸附和膜过滤等技术，则往往存在高能耗、高运营成本等缺点[13-17].相比之下，低能耗、低成本的生物降解技术则更具有吸引力及发展空间.在厌氧生物降解污染物中，相比其他电子受体如硝酸盐或硫酸盐，添加固体Mn(IV)或Fe(III)等金属电子受体不但可以避免增加废水的盐度，还可同时去除其他污染物如氨或重金属，并且还原产物Mn(II)和Fe(II)也可以通过低能耗生物过程进行再氧化[14].因此，应用Mn(IV)或Fe(III)等金属离子作为电子受体的厌氧生物处理具有明显的优势，但目前关于异化Mn(IV)还原过程应用于有机污染物降解及外加微生物易吸收C源对该过程影响的研究还鲜有报道.
因此，本试验选取CBZ和DCF这2种代表性有机药物为目标污染物，以天然锰矿石作为滤料，淡水沉积物作为菌源，生物滤柱作为反应器，通过对比不同进水条件下有菌组和无菌组对CBZ及DCF的去除效果，探究异化Mn(IV)还原菌对目标污染物的去除效果以及外加C源和MnO2对去除效果的影收稿日期：2020-08-15
两个铁球同时着地
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478062&51878093)
* 责任作者, 教授,***************
4期翟俊等：异化Mn(IV)还原耦合降解卡马西平及双氯芬酸 1705
响，以期为后续异化金属还原的工程应用提供参考. 1材料与方法
1.1菌种来源及培养条件
菌种培养基成分为:NH4Cl 0.25g/L, NaH2PO4·H2O 0.6g/L,K Cl0.1g/L,CH3COONa 6.8g/ L，维生素溶液10mL/L, 矿物质溶液10mL/L,pH值6.8~7.0.其中维生素溶液和矿物质溶液参考文献[18]方法配置.
在暗光、30℃及厌氧条件下对淡水沉积物进行淹水培养1~11d，后按水土质量比1:9制备微生物接种液，并提取上清液于4℃条件下保存.将微生物提取液和灭菌后的菌种培养基按1:9进行混合，取100mL混合液加入0.2g MnO2，后放于30℃水浴恒温振荡器中进行暗光厌氧培养,24h后测定体系中的Mn()
Ⅱ浓度以探究菌种的Mn还原能力，同时设置无菌对照组.
1.2实验装置和方法
1.2.1主要材料及仪器主要药剂:CBZ(纯度>99.5%),DCF(纯度>99.5%),MnO2(AR)，乙酸钠(AR)，其中CBZ及DCF购自上海西格玛奥德里奇贸易有限公司,MnO2及乙酸钠购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司.
选取来自河北省唐山市迁西县的天然锰矿石作为电子受体.
主要仪器：高效液相谱仪(型号Agilent 1260)，紫外分光光度计(型号9123A)，原子吸收分光光度计(型号TAS-986F).
1.2.2反应器设计试验装置如图1所示，设置2组平行对照组，每组生物滤柱通过蠕动泵从底部进水，并设一进气孔，与氮气罐相连，以保证反应器内的厌氧环境.反应器在试验过程中采用连续上向流进出水运行方式.
本试验通过反应器中是否添加菌种来对比研究异化Mn(IV)还原对目标污染物的去除效果，并根据进水条件分为3个部分进行.试验一为无外加有机C源(乙酸钠)和MnO2情况下2组反应器对CBZ 及DCF的去除效果对比，进水条件为NH4Cl=0.25g/ L,NaH2PO4·H2O=0.6g/L,KCl=0.1g/L，维生素溶液10mL/L，矿物质溶液10mL/L,CBZ与DCF浓度均为10µg/L左右,pH=6.8~7.0，反应器水力停留时间24h.试验二为仅外加有机C源(电子供体)情况下2组反应器对CBZ及DCF的去除效果对比，进水条件在试验一的基础上添加0.5g/L的CH3COONa，其它条件同试验一.试验三为外加有机C源和MnO2(电子受体)情况下2组
反应器对CBZ及DCF的去除效果对比，其试验要求为在2组反应器中均加入25g MnO2，其它条件同试验二.
60
图1 反应装置
Fig.1 Reactor diagram
尺寸单位:mm
1.2.3反应器运行及水样测试方法反应器按照试验进水要求配置进水溶液，通过向水箱充入氮气以保证进水箱的厌氧环境，然后连续进出水，反应器正常运行2d后开始测试数据.每次试验运行1个月左右，期间每隔2~3d测一组数据.
表1 HPLC梯度洗脱程序
Table 1 The HPLC gradient elution program
时间
(min)
溶剂A(乙腈)
(%)
溶剂B(0.5%冰乙酸)PDF 文件
(%)
流速
(mL/min)
0 45 55 0.8
8 45 55 0.8
9 70 30 0.8
20 70 30 0.8
水样经0.45µm膜过滤后，测定其中溶解态Mn(Ⅱ),CBZ和DCF的浓度.Mn(II)浓度测定方法采用高碘酸钾氧化分光光度法[19].CBZ和DCF浓度的
1706 中国环境科学 41卷测定方法采用高效液相谱法[20]，具体谱条件
为:Eclipse XDB-C18谱柱(250mm×4.6mm,5μm),
柱温25℃，流动相乙腈和0.5%冰乙酸(梯度洗脱，如
表1所示)，流速0.8mL/min，进样量20μL，检测波长
284nm.
1.3数据处理与统计分析
所有数据均采用Microsoft Excel 2016进行统
计分析，利用Origin 2017软件作图.
2结果与讨论
2.1淡水沉积物中菌种Mn还原能力的研究
本试验模拟淡水沉积物的淹水过程，通过测定
Mn(Ⅱ)生成量，比较不同淹水培养时间下淡水沉积
物中锰还原微生物落利用乙酸钠的活性变化特
征，以期得出锰还原微生物活性恢复最快的时期，从
而为后续试验提供活性良好的菌种.
不同淹水培养时间下的淡水沉积物对MnO2的
还原能力(Mn(Ⅱ)浓度变化情况)如表2所示.随着淹
水培养时间的增加，有菌组中Mn(Ⅱ)的浓度逐渐增
加，培养11d后Mn(Ⅱ)的浓度增加量为1.346mg/L.
而无菌组中Mn(Ⅱ)浓度由于自然溶出的作用增加
速率十分缓慢,11d仅增加了0.093mg/L.由此可见,
试验所用的淡水沉积物中的微生物具有MnO2还原
能力，可用于后续的试验研究.
表2不同淹水培养时间下有菌组与无菌组Mn()
Ⅱ浓度变
化情况
Table 2 Concentration changes of Mn(Ⅱ) in different
reactors during experiments
时间(d) 有菌组Mn()
Ⅱ含量变化
(mg/L)
无菌组Mn()
Ⅱ含量变化
(mg/L)
0 0.046 0.040
1 0.047 0.045
2 0.054 0.045
3 0.128 0.054
4 0.417 0.061
5 0.961 0.072
6 1.104 0.087
7 1.141 0.088
9 1.258 0.088海布圣地城
11 1.346 0.093
Logistic模型[21]是一种常用的微生物生长曲线的拟合模型，其表达式为:
C t=a/(1+b e ct)
式中:C t为培养时间t时，体系中Mn()
Ⅱ的含量,mg/L; t为培养时间,d; a为体系中Mn(IV)还原的最大潜势，即Mn()
Ⅱ的最大累积量;b为模型参数; c为反应的速率常数，即Mn()
Ⅱ的累积速率常数.
有菌组中,Mn(Ⅱ)主要是由于异化金属还原菌的生命活动所产生，因此可以用Mn()
Ⅱ的含量变化来间接描述异化金属还原菌的生长情况.对有菌组中的Mn(Ⅱ)浓度进行Logistic模型拟合分析得到拟合方程为C t=1.254/(1+732.195e-1.504t)(图2)，其拟合系数R2为0.987.
024 6 8 1012
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
M
n
(
Ⅱ
)
浓
度
(
m
g
/
L
)
时间(d)
图2 Logistic拟合方程曲线
Fig.2 Logistic curve-fitting equation
最大反应速率(V max)数值上等于0.25ac，最大还原速率对应的时间(T V max)可用ln b/c计算[22].根据拟合结果可知，在淹水培养时间为4.38d时异化Mn(IV)还原速率达到最大值，此时最大反应速率V max为0.47mg/(g⋅d).后续试验中，微生物接种液采用淹水培养5d后的淡水沉积物浸提液.
2.2异化Mn(IV)还原对CBZ、DCF的去除特性
图3为接种和未接种异化金属还原菌混合菌源(后面简称为有菌组与无菌组)的2组反应器对CBZ 和DCF的去除效果.厌氧条件下，有菌组与无菌组对CBZ的平均去除率分别为25.23%和22.42%，对DCF 的平均处理率分别为32.44%和17.57%.有菌组与无菌组反应器对CBZ的去除效果没有显著性差异(P>0.05)，
表明本次试验过程中异化Mn(IV)还原耦合降解CBZ的效果不显著.而有菌组对DCF去除率显著高于无菌组(P<0.05)，说明了异化Mn(IV)还原耦合降解DCF的效果较为显著.
4期 翟 俊等：异化Mn(IV)还原耦合降解卡马西平及双氯芬酸 1707
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24262830
2cr13无缝管
4
6 8 10 12 14 C B Z 浓度(µg /L )
时间(d)
024681012141618 20 22 24 26 28 30
10203040
爬虫技术50时间(d) 去除率(%)
艾虎生
0 2 4 6 8 1012 14 16 18 20 22 24262830
2
4 6 8 10 12
14 D C F 浓度(m g /L )
时间(d)
024681012141618 20 22 24 26 28 30
1020304050
60
去除率(%)
时间(d)
图3 试验一2组反应器对CBZ 和DCF 的处理效果 Fig.3 Removal efficiencies of CBZ and DCF in two reactors in test 1
2.3 外加有机C 源和MnO 2对异化Mn(IV)还原耦
合降解CBZ 及DCF 的影响
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18202224
8
9 10 11 12 13 14
15 C B Z 浓度(µg /L )
时间(d)
102030
4002468101214 16 18 20 22 24
去除率(%)
时间(d)
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18202224
5
6 7
8 9 10 D C F 浓度(µg /L )
时间(d)
0246810121416 18 20 22 24
10
20
30
去除率(%)
时间(d)
图4 试验二2组反应器对CBZ 和DCF 的处理效果 Fig.4 Removal efficiencies of CBZ and DCF in two reactors in test 2
1708
中 国 环 境 科 学 41卷
0 2 4 68 10 12 14 16 18 20 2224262830
2
4 6 8 C B Z 浓度(µg /L )
时间(d)
02468101214161820 22 24 26 28 30
20406080100去除率(%)
时间(d)
0 2 4 6 810 12 14 16 18 20 2224262830
4
6 8 10 12 14 D C F 浓度(µg /L )
时间(d)
02468101214161820 22 24 26 28 30
102030405060去除率(%)
时间(d)
图5 试验三2组反应器对CBZ 和DCF 的处理效果 Fig.5 Removal efficiencies of CBZ and DCF in two reactors in test 3
如图4所示，进水外加有机C 源条件下，有菌组和无菌组对CBZ 的平均处理率分别为25.25%和16.09%，对DCF 的平均处理率分别为21.77%和7.35%.有菌组对CBZ 和DCF 的去除率均显著大于无菌组(P <0.05)，说明了异化Mn(IV)还原耦合降解CBZ 和DCF 的效果均为显著.
本试验结果与试验一相比，无菌组对CBZ 和DCF 的平均去除率分别下降了6.33%和10.22%；有菌组对CBZ 的平均去除率基本保持不变，对DCF 的平均去除率下降了10.67%，其中由异化Mn(IV)还原贡献的CBZ 去除率上升了6.35%(由2.81%提高到9.16%),DCF 去除率则基本持平(由14.87%变为14.42%).2次试验对比，说明了外加有机物会和CBZ 及DCF 竞争锰氧化物的活性点位[23-
25]，从而抑制锰
氧化物对CBZ 及DCF 的物理化学作用，但同时外加C 源也促进了异化Mn(IV)还原耦合降解CBZ 的效果.金圣圣等[23]人研究也表明锰氧化物主要通过其表面的活性点位与有机物相结合形成前体复合物，然后前体复合物又分解为Mn(II)和自由基, 继而自由基被氧化或发生偶合生成二聚体或多聚体.肖君[26]的研究发现外加有机C 源可以增强异化金属
还原菌的活性，从而可以促进异化Mn(IV)还原过程
对有机物的降解，而这一作用对不同有机药物产生不同的影响效果则可能与有机药物自身特有的分子结构相关[25].
如图5，进水外加有机C 源及反应器内添加MnO 2条件下，有菌组和无菌组对CBZ 的平均去除率分别为53.89%和40.10%，对DCF 的平均去除率分别为31.95%和16.48%.有菌组对CBZ 和DCF 的去除率均显著大于无菌组(P <0.05)，说明了异化Mn(IV)还原耦合降解CBZ 和DCF 的效果均为显著.
本试验结果与试验二结果相比，无菌组对CBZ 的平均去除率分别上升了24.01%和9.13%；有菌组对CBZ 和DCF 的平均去除率分别上升了28.66%和10.18%，其中由异化Mn(IV)还原贡献的CBZ 去除率上升了4.63%(由9.16%提高到13.79%),DCF 去除率则基本持平(由14.42%变为15.47%).2次试验对比，说明了在反应器的天然锰矿填料中添加MnO 2会使反应器对CBZ 及DCF 的吸附氧化作用显著增加，同时添加MnO 2也增强了异化Mn(IV)还原耦合降解CBZ 的效果.Liu 等[27-
28]也通过实验研究证明了缺氧
条件下,MnO 2可以有效去除DCF，并根据实验结果，确定了最佳操作条件为中性(pH 值7.0左右)，中温 (10~30℃),MnO 2:DFC 物质的量比约2200:1等.此外
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议