对羟基苯甲酸酯类与周丛生物膜间的相互作用研究

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对羟基苯甲酸酯类(parabens)是一种防腐抗菌剂,在食品、药品、个人护理品和化妆品等中都有广泛的使用。随着人类的大量使用,这类物质的残留物大量进入环境,成为又一种新型有机污染物,而受到广泛关注。目前已在污水处理厂、地表水、生活用水中广泛检测到。研究表明parabens存在雌激素活性。另外在氯消毒工艺广泛应用的今天,parabens由于含有易于被氯代的羟基,很容易产生氯代副产物。氯代副产物相比亲本物质其毒性更强,更难降解。目前parabens氯代副产物也在水环境中被检测到。  周丛生物膜是一种附着生长于淹没水中各种基质表面,由多种自养、异养微生物构成的微生物聚集体,主要成分是由胞外聚合物包裹的细菌和藻类。周丛生物膜在水生态系统中广泛存在,是水生态系统中的初级生产者、分解者,参与能量流动、营养循环,对生态系统意义重大。  广泛存在的周丛生物膜对水环境中parabens的归趋必然会产生较大的影响。与此同时,进入水环境的parabens也可能对周丛生物膜的生长和结构,甚至生态功能产生影响,进而对生态系统产生影响。在水生态系统中,二者间将会有怎样的相互作用,非常值得研究。本文的目的是要揭示水体中parabens可能对周丛生物膜生长和群落结构的影响,以及周丛生物膜可能对水体中parabens环境归趋的影响,为parabens的生态风险评价和污染的生态修复提供参考。主要研究内容和结果如下:  1)通过32天的室内模拟实验,研究了不同浓度对羟基苯甲酸丁酯(BP)暴露对生物膜生长和结构的影响。结果表明环境水平的BP暴露在实验中没有对生物膜产生影响。仅在最高浓度组(5000μg/L)观察到了如下影响:a.叶绿素a含量和藻类总生物量在实验第32天显著低于对照组,表明藻类生长受到了明显抑制;b.实验第24天时Fv/Fm显著低于对照组,说明藻类群体的光合活性受到了抑制;c.Pielou和Shannon-Weiner指数在实验第24和32天时显著低于对照组,说明藻类群落的多样性受到了显著的抑制。  2)生物膜中细菌群落没有藻类敏感,实验组和对照组的BiologEcoplatesTM和PLFA分析结果均未发现显著性差异,这说明细菌群落的结构和碳源代谢均没有受到BP暴露的影响。因此,我们认为环境水平的BP残留对水体中生物膜的危害非常小。  3)通过吸附动力学和吸附热力学实验,研究了生物膜对四种常见parabens(methyl-,ethyl-,propyl-and butyl-paraben)及Methyl paraben的两种氯代副产物(3-Cl-Methyl paraben and3,5,2Cl-Methyl paraben)的吸附作用。结果发现生物膜对parabens及其氯代副产物有很好的吸附能力,吸附分配系数(Kd)介于554.46-808.55之间,最大吸附量介于1298.4-2867.9mg/kg之间。吸附过程最符合线性模型,其次是Langmuir和Freundlich模型。六种物质的辛醇水分配系数的越大,其对应的吸附分配系数、最大吸附量也越大,物质的疏水性主导了吸附过程。  4)通过控制有无光照、光照周期长短、生物膜培养温度、降解实验运行温度等条件,考察了生物膜对四种常见parabens及Methyl paraben的两种氯代副产物的降解作用。结果发现,生物膜在所有实验条件下对四种常见的parabens有很好的降解效果,半衰期范围为0.49-3.29天;与亲本物质相比,氯代物的降解半衰期显著增长,并且随氯代程度增加,半衰期范围1.15-25.57天;较高的运行温度、黑暗条件和较低的生物膜培养温度是实验筛选出的对降解最有利的三个条件。  5)通过对降解实验生物膜中藻类生物量和群落结构(叶绿素a、藻类鉴定)、细菌碳源代谢多样性(Biolog Ecoplates)、细菌群落结构多样性(焦磷酸测序)分析,研究了各实验条件对生物膜群落结构和碳源代谢的影响,并以此为根据结合降解实验结果对降解效率与生物膜相关属性间的联系进行了初步探究。结果发现,有无光照对生物膜有明显影响,黑暗条件下藻类生物量和多样性受到了明显的抑制,而对细菌的多样性有明显的促进作用。光照周期长短对藻类和细菌的影响不大。不同的培养温度对细菌群落的结构和功能都有明显影响,较低温度下培养的生物膜碳源利用能力和多样性较高,但细菌群落多样性较低。不同的运行温度对生物膜细菌群落的碳源代谢有一定影响,但较难察觉,而对细菌群落结构的影响较为明显,较高的运行温度下,细菌群落多样性更高。比较各组生物膜的相关属性后,发现在黑暗组中藻类群落受到明显抑制,细菌的碳源利用能力和群落结构多样性明显高于有光组,此时生物膜对parabens尤其是两种氯代物的降解快,说明藻类在降解过程中不是最主要的参与者,而是细菌。而在氯代物降解效率高的生物膜中普遍发现,细菌的碳源利用能力更高,因此推测拥有较高的碳源利用能力可能有助于生物膜对两种氯代副产物的降解。
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