地学前缘 ›› 2021, Vol. 28 ›› Issue (5): 146-158.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.18
收稿日期:
2020-05-25
修回日期:
2020-08-19
出版日期:
2021-09-25
发布日期:
2021-10-29
通信作者:
万玉玉
作者简介:
张晟瑀(1985—),男,副教授,主要从事地下水土污染控制与修复研究。E-mail: shengyuzh@jlu.edu.cn
基金资助:
ZHANG Shengyu1(), ZHANG Menghuan2, WANG Ligang3, WAN Yuyu2,*(
)
Received:
2020-05-25
Revised:
2020-08-19
Online:
2021-09-25
Published:
2021-10-29
Contact:
WAN Yuyu
摘要:
针对我国东北某石油烃污染场地地下水中的萘污染,筛选出了Acinetobacter和Pseudomonas菌属的高效萘降解菌群。该菌群对萘的耐受性较高,且具有良好的乳化性,能够自动调节细胞表面疏水性和自聚集性。不同pH值、萘初始浓度、温度和菌接种量对萘降解效率的影响研究表明:最适菌群生长的pH范围为7.08.0;萘降解效率和速率在1.005.00 mg/L范围内与其初始浓度成正比;在1030 ℃温度范围内均表现出较高的萘降解效率。在此基础上,利用Guass、GuassAmp、LogNomal、Poisson和Pulse数学模型对萘的降解过程进行拟合,其降解速率更符合GuassAmp模型。通过将降解动力学模型中的常数与影响因素相关联,推导出了拟合度较高的多因素影响下的萘降解动力学方程。
中图分类号:
张晟瑀, 张朦幻, 王利刚, 万玉玉. 微生物对地下水中萘的降解特性及动力学研究[J]. 地学前缘, 2021, 28(5): 146-158.
ZHANG Shengyu, ZHANG Menghuan, WANG Ligang, WAN Yuyu. Degradation of naphthalene by microorganisms in groundwater: Characteristics and kinetics[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(5): 146-158.
pH值 | 萘初始浓度C/(mg·L-1) | 温度T/℃ | 菌接种量I/% |
---|---|---|---|
4.09.0 | 5.00 | 10 | 5 |
8.0 | 1.005.00 | 10 | 5 |
8.0 | 5.00 | 1030 | 5 |
8.0 | 5.00 | 10 | 15 |
表1 微生物对萘的降解试验培养参数
Table 1 Bacterial culture parameters for naphthalene degradation experiment
pH值 | 萘初始浓度C/(mg·L-1) | 温度T/℃ | 菌接种量I/% |
---|---|---|---|
4.09.0 | 5.00 | 10 | 5 |
8.0 | 1.005.00 | 10 | 5 |
8.0 | 5.00 | 1030 | 5 |
8.0 | 5.00 | 10 | 15 |
时段 | 物种数目 OTUnum | 多样性指数 Shannon | 多样性指数 Simpson | 丰度指数 Chao1 | 覆盖率 Coverage/% | 丰度指数 ACE |
---|---|---|---|---|---|---|
降解前 | 1 787 | 0.67 | 0.84 | 194 617.75 | 0.97 | 679 207.00 |
降解后 | 1 509 | 0.79 | 0.76 | 924 67.58 | 0.96 | 383 534.55 |
表2 Alpha多样性指数(微生物降解前、后)统计表
Table 2 Statistical table for alpha diversity indices (before and after microbial degradation)
时段 | 物种数目 OTUnum | 多样性指数 Shannon | 多样性指数 Simpson | 丰度指数 Chao1 | 覆盖率 Coverage/% | 丰度指数 ACE |
---|---|---|---|---|---|---|
降解前 | 1 787 | 0.67 | 0.84 | 194 617.75 | 0.97 | 679 207.00 |
降解后 | 1 509 | 0.79 | 0.76 | 924 67.58 | 0.96 | 383 534.55 |
图8 pH值对萘降解的影响(a)和不同pH值下萘的平均降解速率与降解效率(b)
Fig.8 Effect of pH on the naphthalene degradation kinetics (a) and average rate and efficiency of naphthalene degradation at different pH (b)
图9 不同初始浓度萘的降解曲线(a)和不同初始浓度萘的平均降解速率与降解效率(b)
Fig.9 Naphthalene degradation curves (a) and average rate and efficiency of naphthalene degradation (b) under different initial concentrations
图10 温度对萘降解的影响(a)和萘在不同温度下的平均降解速率与降解效率(b)
Fig.10 Effect of temperature on naphthalene degradation (a) and average rate and efficiency of naphthalene degradation under different temperatures (b)
图11 菌接种量对萘降解的影响(a)和不同菌接种量下萘的平均降解速率与降解效率(b)
Fig.11 Effect of inoculum concentration on naphthalene degradation (a) and average rate and efficiency of naphthalene degradation under different inoculum concentrations (b)
方程名称 | 方程形式 |
---|---|
Guass | y=y0+ |
GuassAmp | y=y0+A |
LogNomal | y=y0+ |
Poisson | y=y0+ |
Pulse | y=y0+A(1- |
表3 曲线方程
Table 3 Curve equations
方程名称 | 方程形式 |
---|---|
Guass | y=y0+ |
GuassAmp | y=y0+A |
LogNomal | y=y0+ |
Poisson | y=y0+ |
Pulse | y=y0+A(1- |
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
萘初始浓度 C/(mg·L-1) | 温度 T/℃ | 菌接种量 I/% | pH值 | α | β | γ | |||||||||
5.00 | 10 | 5 | 8.0 | 2.721 | 36.14 | 24.27 | 0.951 | ||||||||
7.0 | 2.635 | 51.13 | 25.90 | 0.991 | |||||||||||
6.0 | 2.098 | 57.57 | 24.74 | 0.994 | |||||||||||
5.0 | 1.639 | 58.89 | 20.86 | 0.983 |
表4 不同pH值下萘的降解动力学GuassAmp模型拟合
Table 4 Degradation kinetics of naphthalene at different pH fitted by GuassAmp model
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
萘初始浓度 C/(mg·L-1) | 温度 T/℃ | 菌接种量 I/% | pH值 | α | β | γ | |||||||||
5.00 | 10 | 5 | 8.0 | 2.721 | 36.14 | 24.27 | 0.951 | ||||||||
7.0 | 2.635 | 51.13 | 25.90 | 0.991 | |||||||||||
6.0 | 2.098 | 57.57 | 24.74 | 0.994 | |||||||||||
5.0 | 1.639 | 58.89 | 20.86 | 0.983 |
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
pH值 | 温度 T/℃ | 菌接种量 I/% | 萘初始浓度 C/(mg·L-1) | α | β | γ | |||||||||
8.0 | 10 | 5 | 5.00 | 2.721 | 36.14 | 24.27 | 0.951 | ||||||||
4.00 | 2.182 | 33.79 | 23.59 | 0.945 | |||||||||||
3.00 | 1.838 | 30.87 | 20.46 | 0.948 | |||||||||||
2.00 | 1.429 | 25.96 | 16.45 | 0.994 | |||||||||||
1.00 | 1.068 | 21.55 | 12.35 | 0.996 |
表5 不同初始浓度下萘降解动力学GuassAmp模型拟合
Table 5 Degradation kinetics of naphthalene under different initial concentrations fitted by GuassAmp model
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
pH值 | 温度 T/℃ | 菌接种量 I/% | 萘初始浓度 C/(mg·L-1) | α | β | γ | |||||||||
8.0 | 10 | 5 | 5.00 | 2.721 | 36.14 | 24.27 | 0.951 | ||||||||
4.00 | 2.182 | 33.79 | 23.59 | 0.945 | |||||||||||
3.00 | 1.838 | 30.87 | 20.46 | 0.948 | |||||||||||
2.00 | 1.429 | 25.96 | 16.45 | 0.994 | |||||||||||
1.00 | 1.068 | 21.55 | 12.35 | 0.996 |
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
pH值 | 萘初始浓度 C/(mg·L-1) | 菌接种量 I/% | 温度 T/℃ | α | β | γ | |||||||||
8.0 | 5.00 | 5 | 30 | 3.394 | 25.89 | 20.32 | 0.970 | ||||||||
20 | 2.946 | 30.30 | 22.27 | 0.958 | |||||||||||
10 | 2.721 | 36.14 | 24.27 | 0.951 |
表6 不同温度下萘降解动力学GuassAmp模型拟合
Table 6 Degradation kinetics of naphthalene under different temperatures fitted by GuassAmp model
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
pH值 | 萘初始浓度 C/(mg·L-1) | 菌接种量 I/% | 温度 T/℃ | α | β | γ | |||||||||
8.0 | 5.00 | 5 | 30 | 3.394 | 25.89 | 20.32 | 0.970 | ||||||||
20 | 2.946 | 30.30 | 22.27 | 0.958 | |||||||||||
10 | 2.721 | 36.14 | 24.27 | 0.951 |
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
pH值 | 萘初始浓度 C/(mg·L-1) | 温度 T/℃ | 菌接种量 I/% | α | β | γ | |||||||||
8.0 | 5.00 | 10 | 5 | 2.271 | 36.14 | 24.27 | 0.951 | ||||||||
4 | 2.047 | 39.80 | 29.26 | 0.949 | |||||||||||
3 | 1.654 | 50.09 | 34.26 | 0.972 | |||||||||||
2 | 1.431 | 56.23 | 33.94 | 0.985 | |||||||||||
1 | 1.308 | 66.63 | 31.81 | 0.985 |
表7 不同菌接种量萘降解动力学GuassAmp模型拟合
Table 7 Degradation kinetics of naphthalene under different inoculum concentrations fitted by GuassAmp model
初始条件 | 常数 | 相关系数 R2 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
pH值 | 萘初始浓度 C/(mg·L-1) | 温度 T/℃ | 菌接种量 I/% | α | β | γ | |||||||||
8.0 | 5.00 | 10 | 5 | 2.271 | 36.14 | 24.27 | 0.951 | ||||||||
4 | 2.047 | 39.80 | 29.26 | 0.949 | |||||||||||
3 | 1.654 | 50.09 | 34.26 | 0.972 | |||||||||||
2 | 1.431 | 56.23 | 33.94 | 0.985 | |||||||||||
1 | 1.308 | 66.63 | 31.81 | 0.985 |
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