秸秆降解与土壤污染生物修复耦合过程的研究_杨彬彬.pdf

第 35 卷第 5 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No 5 Vol 35 2021 年 10 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Oct 2021 文章编号 1003 9015 2021 05 0927 08 秸秆降解与土壤污染生物修复耦合过程的研究 杨彬彬 1 夏 颖 2 夏黎明 1 1 浙江大学生物质化工教育部重点实验室 浙江大学 化学工程与生物工程学院 浙江 杭州 310027 2 浙江工业大学 生物工程学院 浙江 杭州 310014 摘 要 秸秆资源的合理利用和土壤修复是当前备受关注的研究热点 本研究对秸秆快速降解与被有机物污染的土壤 进行生物修复的耦合过程进行了探究 将水稻秸秆平铺在污染土壤上 接入特定菌种进行固态发酵 发酵 12 d 后秸秆 基质中漆酶活力 滤纸酶活力 即纤维素酶总活力 和木聚糖酶活力最高分别可达 25 31 240 44 和 4 537 16 IU g 1 秸 秆纤维素 半纤维素和木质素的降解率分别达到了 75 4 77 33 和 32 35 秸秆失重率为 60 19 在耦合过程第 12 d 土壤中土霉素的降解率可达 93 4 毒死蜱和 2 4 5 三氯酚的降解率分别可达到 62 34 和 65 21 研究结果可 为秸秆快速降解还田以及被有机物污染的土壤生物修复提供参考 关键词 秸秆降解 土壤修复 耦合 滤纸酶 漆酶 木聚糖酶 有机污染物 中图分类号 Q814 9 文献标志码 A DOI 10 3969 j issn 1003 9015 2021 05 021 Study on the coupling process of straw degradation and soil bioremediation YANG Bin bin 1 XIA Ying 2 XIA Li ming 1 1 Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education College of Chemical and Biological Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China 2 College of Biotechnology and Bioengineering Zhejiang University of Technology Hangzhou 310014 China Abstract Rational utilization of straw resources and soil remediation are hot research topics The coupling process of straw degradation and bioremediation of soil organic pollutants was studied The contaminated soil was covered with rice straw which was inoculated with specific strains for solid fermentation After 12 days of fermentation laccase activity filter paper activity total cellulase activity and xylanase activity were 25 31 240 44 and 4 537 16 IU g 1 respectively The degradation rates of cellulose hemicellulose and lignin reached 75 4 77 33 and 32 35 respectively and the weight loss rate of straw was 60 19 During the coupling process degradation rates of oxytetracycline chlorpyrifos and 2 4 5 trichlorophenol in the soil on the 12 th day were 93 4 62 34 and 65 21 respectively This study can provide guidance for the rapid degradation of straws and the bioremediation of soil organic pollutants Key words decomposition of straw soil remediation coupling filter paper enzyme laccase xylanase organic pollutant 1 前 言 秸秆是农业生产中的主要废弃物 我国的秸秆种类多 数量大 每年都有大量的秸秆资源没有得到 合理有效利用 带来一系列的环境问题 1 2 秸秆的主要成分为纤维素 半纤维素和木质素 富含氮 磷 钾等元素 秸秆还田作为秸秆利用的一种重要方式 可以减少化学肥料的使用 有效增加土壤的有机质 含量 改善土壤结构 但在直接还田情况下 存在秸秆降解效率低 秸秆降解周期长等问题 不利于下 收稿日期 2020 12 28 修订日期 2021 03 31 基金项目 国家自然科学基金 21676247 作者简介 杨彬彬 1996 男 浙江衢州人 浙江大学硕士生 通信联系人 夏颖 E mail yingxia 928 高 校 化 学 工 程 学 报 2021年 10月 一茬作物的种植 土壤污染是我国面临的主要环境问题之一 据统计 我国受有机污染物污染的农田达 3 600 万 hm 2 主要污染物包括抗生素 农药 多环芳烃等 3 土霉素是一种兽用抗生素 作为动物饲料添加剂和药物 被广泛应用于养殖业 不可避免地导致了环境污染 在我国不同区域都检测出了土霉素的残留 4 5 毒死 蜱是具有代表性的有机磷酸酯类农药 具有高效 广谱的优点 被广泛应用于农业害虫防治 毒死蜱在 土壤中半衰期较长 在未灭菌土壤中 1 g kg 1 的毒死蜱半衰期为 278 d 而灭菌土壤中毒死蜱的半衰期是 未灭菌土壤的 3 4 倍 6 2 4 5 三氯酚 2 4 5 trichlorophenol 2 4 5 TCP 是一种典型的氯酚类污染物 它 不仅广泛应用于下游农药的生产 其本身也可以作为农药使用 它毒性强并且难以自然降解 在环境中 检出率较高 上述这些有机污染物会在土壤表层积累 被植物吸收 对动物和人类的健康造成潜在的威 胁 7 9 漆酶是一种多铜氧化酶 能够利用分子氧在自由基催化机制下氧化各种酚类和非酚类物质 10 漆酶 的底物谱广泛 并且仅利用氧气作为最终的电子受体 是一种环境友好型催化剂 此外 一些小分子能 够作为介体扩展漆酶的底物谱 这使得漆酶在有机污染物治理方面具有很强的应用潜力 11 已有研究表 明 基于漆酶的生物修复技术 12 13 可以有效去除环境中的多环芳烃 抗生素 染料等污染物 现有的研 究主要集中在固定化漆酶技术以及水体中污染物的去除 直接利用漆酶降解土壤中有机污染物的研究还 相对匮乏 本实验室在前期工作中构建了一株能产出高活力漆酶的重组里氏木霉菌株 trichoderma reesei ZJ 09 14 本研究在此基础上利用几种特定微生物构建了新型秸秆降解菌剂 将秸秆快速降解与污染土 壤生物修复过程进行有机耦合 利用微生物在秸秆基质中发酵生产的酶曲实现秸秆的快速降解 同时对 土壤中的有机污染物进行高效降解 从而实现土壤修复 2 实验 材料与方法 2 1 实验材料 2 1 1 菌种 重组里氏木霉 主要产出漆酶和纤维素酶 带有来自血红密孔菌 pycnoporus sanguineus 的耐高温 漆酶基因 由本实验室构建 保存在 PDA 斜面培养基上 彩绒革盖菌 coriolus versicolor 主要产出漆酶 黑曲霉 aspergillus niger ZU 06 主要产出半纤维素 酶 它们均为实验室保藏菌种 15 2 1 2 有机物污染土壤的预处理 有机物污染土壤取自浙江杭州郊区某农田 于通风条件下自然风干 筛选剔除杂质后研碎备用 利 用高效液相色谱测定不同污染土壤的有机污染物含量 其中毒死蜱污染土壤中毒死蜱含量为 52 4 mg kg 1 土霉素污染土壤中土霉素含量为 73 7 mg kg 1 2 4 5 三氯酚污染土壤中 2 4 5 三氯酚含量为 59 7 mg kg 1 2 1 3 试剂 毒死蜱乳油购自江西农喜作物科学有限公司 盐酸土霉素购自上海吉至生化科技有限公司 2 4 5 三氯酚购自生工生物工程 上海 股份有限公司 2 2 培养基 PDA 斜面培养基 新鲜马铃薯 200 葡萄糖 20 琼脂粉 20 彩绒革盖菌种子培养基 葡萄糖 10 酵母粉 1 NH 4 2 SO 4 1 4 KH 2 PO 4 2 CaCl 2 0 4 尿素 0 3 MgSO 4 7H 2 O 0 2 C 6 H 8 O 7 H 2 O 10 5 NaOH 3 9 CoCl 2 0 0037 ZnSO 4 0 0014 MnSO 4 0 0016 FeSO 4 0 005 固态发酵营养液 NH 4 2 SO 4 10 尿素 2 KH 2 PO 4 2 CuSO 4 0 1 注 以上数值单位均为 g L 1 固态发酵培养基 氨水处理后的水稻秸秆 80 g 100 g 1 干重 麸皮 20 g 100 g 1 干重 此外另加固态 第 35 卷第 5 期 杨彬彬等 秸秆降解与土壤污染生物修复耦合过程的研究 929 发酵营养液 250 mL 2 3 水稻秸秆的氨水预处理方法 水稻秸秆取自浙江绍兴郊区 将水稻秸秆切成 5 10 cm的小段 按照每 g秸秆配 10 mL氨水加入 10 质量分数 的氨水 在 25 30 室温下浸泡 24 h 抽滤并淋洗以除去秸秆中的残留氨 烘干后保存备用 经氨水预处理的水稻秸秆中 纤维素 半纤维素和木质素质量分数分别为 49 1 21 5 和 12 4 2 4 秸秆降解菌剂接种方法 首先将彩绒革盖菌以培养 5 d 的种子液形式接入发酵基质 重组里氏木霉和黑曲霉则以孢子悬浮液 每 mL含 10 7 个孢子 的形式分别延后 1 d和 2 d接入 接种比例为彩绒革盖菌 重组里氏木霉 黑曲霉 2 2 1 总接种量为 10 每 mL 配 10 g 基质 2 5 秸秆降解与有机物污染土壤生物修复的耦合过程试验 在 11 cm 16 cm 5 cm的长方体生物反应器内 加入 500 g 厚度约为 10 cm 的污染土壤以及 200 mL 自来水 预湿润土壤 同时铺上 25 g 4 5 cm 厚的秸秆基质 接入新型秸秆降解菌剂 于自然条件 平均 气温 25 30 下培养 每天分 3 次共补加 45 mL 清水以维持秸秆基质的湿度 定时取样检测秸秆基质中 的菌种产酶 秸秆降解以及土壤中污染物降解情况 2 6 秸秆和土壤的取样以及预处理方法 秸秆取样和预处理 秸秆的取样采用五点法 即取对角线的交点以及对角线上距交点距离相同的四 个点 每个点取等量秸秆 混合后加入 pH 为 4 8 的柠檬酸缓冲液浸泡 24 h 离心过滤 取上清液测定三 种酶的活力 并对秸秆残渣进行组分分析 土壤取样和预处理 土壤的取样也采用五点法 每个点取等量的表层土壤 混合风干后碾成粉末备用 2 7 分析测定方法 2 7 1 漆酶活力测定 15 漆酶活力测定采用 2 2 联氮 二 3 乙基 苯并噻唑 6 磺酸 二铵盐 2 2 azino bis 3 ethylbenzothiazo line 6 sulfonic acid ABTS 法 以 ABTS 为底物 取 50 L 酶液 加入 950 L pH 4 0 的柠檬酸缓冲 溶液 与 1 mL 2 mmol L 1 的 ABTS 溶液混合后在 30 下反应 2 min 利用分光光度计测定 420 nm 下吸 光值随时间的变化 每分钟消耗 1 mol ABTS 的酶量定义为一个漆酶活力单位 IU mL 1 或 IU g 1 2 7 2 滤纸酶活力测定 16 滤纸酶活力 filter paper activity FPA 可用来表征纤维素酶总活力 以 Whatman No 1 滤纸为底物 1 cm 6 cm 加入 1 5 mL 适当稀释的酶液 50 下水浴反应 30 min 后采用 3 5 二硝基水杨酸 DNS 法测 定还原糖含量 每分钟生成 1 mol 葡萄糖 以还原糖计 所需的酶量定义为一个滤纸酶活力单位 IU mL 1 或 IU g 1 2 7 3 木聚糖酶活力测定 17 取 0 5 mL 适当稀释的粗酶液 加入 1 mL 质量分数为 1 2 的木聚糖底物 50 下水浴反应 30 min 后测定还原糖含量 空白试验中除酶液事先灭活外 其余条件不变 每分钟分解底物释放出 1 mol 木糖 以还原糖计 所需的木聚糖酶量定义为一个木聚糖酶活力单位 IU mL 1 或 IU g 1 2 7 4 水稻秸秆成分分析 18 纤维素含量测定 准确称取 1 g样品 记作 m 1 于 250 mL 磨口锥形瓶中 加入 25 mL 体积分数为 20 的硝酸乙醇溶液后安装回流冷凝管 在沸水浴中加热 1 h 随后进行真空抽滤 保留滤渣至原锥形瓶中 重复操作至纤维变白 反应结束后再次进行真空抽滤 先用体积分数为 20 的硝酸乙醇溶液洗涤滤渣 再用热水洗涤至甲基橙洗液不显酸性 最后用 10 mL 无水乙醇洗涤 滤渣于 105 下烘干至恒重 记作 m 2 纤维素含量由式 1 计算得到 2 1 100 纤 维 素 含 量 m m 1 930 高 校 化 学 工 程 学 报 2021年 10月 半纤维素含量测定 准确称取 0 50 g 样品 记作 m 于 250 mL 三口烧瓶中 加入 10 g NaCl 和 100 mL 质量分数为 12 的盐酸 三个口分别与冷凝器 50 mL 分液漏斗与温度计相连 160 下甘油浴中加热 控制蒸馏速度为 3 mL min 1 不断补加 30 mL 质量分数为 12 的盐酸直至馏出液达 350 mL 用湿醋酸苯 胺试纸检验馏出液中糠醛含量 待糠醛蒸馏完毕后将馏出液全部转移至 500 mL 容量瓶中 用质量分数 为 12 的盐酸进行定容 随后移取 100 mL 至 500 mL 磨口锥形瓶中 加入 250 g 冰 待液体温度降至 0 后加入 25 mL 溴化钾 溴酸钾溶液 避光放置 5 min 后加入 10 mL 质量分数为 10 的 KI 溶液 摇匀后 再放置 5 min 随后用 0 1 mol L 1 硫代硫酸钠标准溶液滴定 临近滴定终点时加入 2 mL 质量分数为 0 5 的淀粉溶液 待蓝色褪去后记录滴定体积 记作 V 1 mL 另取 100 mL 质量分数为 12 的盐酸溶液 重 复操作 记录滴定体积 记作 V 2 mL 半纤维素含量由式 2 计算得到 21 0 033 100 半 纤维素含量 VV m 2 木质素含量测定 准确称取 1 g 样品 记作 m 3 于索氏抽提器中 加入 250 mL 乙醇 苯混合液 沸水 浴中加热抽提 3 h 风干后将样品移至烧杯中 加入 15 mL 质量分数为 72 的硫酸溶液 充分搅拌后于 20 水浴中放置 2 5 h 随后用 300 mL 蒸馏水分多次洗涤至 500 mL 锥形瓶中 安装回流冷凝管并于沸 水浴中加热 2 h 反应结束后进行真空抽滤 用热水洗涤滤渣至质量分数为 10 的 CaCl 2 洗液不浑浊 105 下烘干至恒重 记作 m 4 木质素含量由式 3 计算得到 4 3 100 木 素含量 m m 3 2 7 5 土壤中土霉素提取及土霉素检测 19 土壤中土霉素提取 取 1 g 土壤样品于棕色瓶中 加入 10 mL 浸提剂 0 1 mol L 1 pH 为 4 7 的柠檬 酸缓冲液 超声 20 min 在转速为 3 000 r min 1 的离心机中离心 15 min 取上清液 利用高效液相色谱 检测土霉素含量 土霉素检测 取样品 1 mL 过 0 45 m 水膜 利用高效液相色谱仪 Agilent 1200 USA 进行检测 流动相 0 01 mol L 1 草酸水溶液 乙腈 甲醇体积比为 7 2 1 色谱柱为 Eclipse XDB C18 150 mm 4 6 mm 5 m 流速为 0 8 mL min 1 柱温为 30 检测波长为 355 nm 进样量为 20 L 以标准品绘制标 准曲线 采用外标法定量 降解率由式 4 计算得到 01 0 100 降 解率 cc c 4 式中 c 0 为初始土霉素浓度 mg kg 1 c 1 为降解后土霉素浓度 mg kg 1 2 7 6 土壤中毒死蜱提取及毒死蜱检测 20 土壤中毒死蜱提取 取土样 5 g 置于 250 mL 具塞三角瓶中 加入 10 mL 混合提取液 丙酮 磷酸和 水体积比为 98 1 1 振荡提取 1 h 用铺有两层定性滤纸的布氏漏斗抽滤 并用 10 mL 丙酮分 3 次洗涤 滤渣和滤瓶 将滤液转移至 250 mL 平底烧瓶中 40 水浴中减压浓缩至约 5 mL 将浓缩液移至 50 mL 分液漏斗并加入 20 mL 质量分数为 3 的 NaCl 溶液 用 10 mL 石油醚分 2 次提取 弃去水相 合并石 油醚相 在旋转蒸发器中浓缩至近干 水浴温度 45 冷风吹干 加入甲醇定容 用于高效液相色谱 测定 毒死蜱检测 利用高效液相色谱仪进行检测 以甲醇 水溶液为流动相 甲醇 水体积比为 85 15 采用 Eclipse XDB C18 色谱柱 流速为 1 0 mL min 1 柱温为 25 检测波长为 290 nm 进样量为 20 L 采用外标法定量 2 7 7 土壤中 2 4 5 三氯酚提取及 2 4 5 三氯酚检测 土壤中 2 4 5 三氯酚提取 取土壤样品 1 g 置于圆底烧瓶中 以正己烷为提取液 使用索氏提取仪提 取 4 h 将残留物用旋转蒸发器浓缩至 2 mL 左右 使用无水硫酸钠去除水分 经甲醇适当稀释后用于高 效液相色谱测定 2 4 5 三氯酚检测 利用高效液相色谱仪进行检测 以甲醇 水溶液为流动相 甲醇 水体积比为 85 15 第 35 卷第 5 期 杨彬彬等 秸秆降解与土壤污染生物修复耦合过程的研究 931 采用 Eclipse XDB C18 色谱柱 流速为 1 0 mL min 1 柱温为 30 检测波长为 220 nm 进样量为 20 L 采用外标法定量 3 实验结果与讨论 3 1 耦合过程中秸秆的降解进程 3 1 1 产酶进程 接种的秸秆降解菌剂中包含的菌种具 备高效产出漆酶 纤维素酶和半纤维素酶能 力 在自然条件下能快速生长同时产出高活 力酶 试验结果如图 1 所示 由图可见 发 酵初期 随着菌种在基质中的蔓延生长 基 质中三种酶的活力也迅速提高 漆酶活力在 第 10 d 达到峰值 为 25 31 IU g 1 滤纸酶 活力和木聚糖酶活力分别在第 8 d 和第 12 d 达到峰值 分别为 240 44和 4 537 16 IU g 1 秸秆主要成分是纤维素 半纤维素和木质 素 纤维素酶 木聚糖酶和漆酶分别作用 于这三个组分 能够使基质中的水稻秸秆 快速降解 在耦合过程的后期 三种酶的 活力都开始呈下降趋势 一方面是由于菌 种产酶速率减小 另一方面也是由于酶蛋 白向土壤中不断渗漏 3 1 2 秸秆降解进程 接入的菌剂在固态发酵过程中产生的 高活力的复合酶系有利于实现秸秆的快速 降解 耦合过程中秸秆失重率与秸秆各组分 降解情况如图 2 所示 由图可见 随着基质中酶的活力迅速上升 发酵初期秸秆中的纤维素被快速降解 发酵 8 d 降解率就达到了 65 78 第 12 d 降解率高达 75 4 半纤维素的降解率略高于纤维素 到第 12 d 降解率达到 77 33 发酵过程中分泌的漆酶对秸秆中的木质素具有明显降解作用 木质素是一种高度交联的芳香族杂聚 物 它的结构复杂性和无规律性导致其难以降解 21 漆酶是一种木质素解聚酶 可以使木质素解聚 改 性 实现木质素降解 22 由图 2 可见 在漆酶作用下 木质素逐渐降解 到第 12 d 降解率达到 32 35 漆酶对木质素的降解对于耦合过程具有重要意义 它不仅提高了秸秆的协同降解效果 而且在木质素降 解过程中产生的一些小分子酚类物质还可以作为漆酶的介体 8 木质素降解过程中产生的小分子物质常 见的有丁香醛 香草醛 乙酰丁香酮等 研究表明 这些小分子物质不仅能像人工合成介体一样提高漆 酶的降解能力 同时具有成本低廉 环境友好的优点 在某些方面天然介体还具有比人工合成介体更好 的表现 是优良的人工合成介体在未来应用中的替代品 23 25 由图 2 可见 随着秸秆各主要组分的降解 固态发酵基质中的秸秆被迅速消耗 发酵第 8 d 秸秆的 失重率就达到了 51 3 到第 12 d 失重率可达到 60 19 3 2 耦合过程中含土霉素土壤的生物修复进程 按照 2 4 节所述方法 将秸秆铺在含土霉素的土壤上方 接入秸秆降解菌剂后 定时取样检测秸秆 24681012 20 40 60 80 mass lose cellulose hemicellulose lignin 0 20 40 60 80 Time d 图 2 耦合过程中秸秆降解进程 Fig 2 Straw degradation during the coupling process M a ss lo s s r a t e C e llu lo se or he mic e llu lose or l i gn in degrad at ion r a te 24681012 0 5 10 15 20 25 30 35 laccase activity FPA xylanase activity 0 100 200 300 0 1000 2000 3000 4000 5000 Time d 图 1 耦合过程中发酵产酶进程 Fig 1 Enzyme production during the coupling process L a ccas e act iv ity I U g 1 FP A I U g 1 Xy lana se ac tiv it y I U g 1 932 高 校 化 学 工 程 学 报 2021年 10月 基质中的漆酶活力以及土壤中土霉素含量变化 试验结果如图 3 所示 由图可见 在发酵前期 基质之 中的漆酶活力随着发酵进行不断上升 到第 8 d 漆酶活力达到了峰值 为 19 72 IU g 1 第 8 d 开始菌种 生长繁殖减缓 产酶效率降低 同时酶不断向土壤中渗漏 基质中的漆酶活力开始呈下降趋势 土霉素 降解与漆酶的活力呈正相关 随着漆酶活力逐步提高 土霉素被快速降解 在第 8 d 土霉素降解率就达 到了 84 24 第 12 d 达到 93 4 与对照组相比降解速度大大提升 第 8 d 开始 土壤中的土霉素降 解速度开始变缓 一方面是因为漆酶活力下降使总 体降解效率降低 另一方面是因为土霉素大部分已 经被降解 土壤中的土霉素变少 这也是降解速度 变缓的重要原因 抗生素在畜牧业中被广泛使用 而且相当比例 的抗生素不能被动物吸收利用 会随着动物粪便进 入环境 污染土壤 已有研究表明 漆酶也对磺胺 类抗生素有很高的降解效果 26 由此 本研究所采 用的方法也适用于其他多种抗生素污染的土壤 具 有良好的应用前景 3 3 耦合过程中含毒死蜱土壤的生物修复进程 为了研究耦合过程对含有其他污染物的土壤修 复效果 将耦合过程应用于毒死蜱污染土壤的生物 修复 实验结果如图 4 所示 由图可见 漆酶活力 在第 8 d 达到最高值 为 20 14 IU g 1 之后急速下 降 而漆酶活力变化趋势则与土壤中毒死蜱降解率 的变化规律密切相关 漆酶活力高毒死蜱降解率也 高 前 10 d 在漆酶作用下 土壤中的毒死蜱逐渐 被降解 10 d 后 毒死蜱降解速度开始放缓 到第 12 d 土壤中的毒死蜱降解率达到了 62 34 与对 照组相比高了 8 倍多 但与土霉素污染土壤相比 毒死蜱污染土壤中毒死蜱降解率相对较低 说明本 研究所使用方法对土壤修复效果与污染物种类有较 大关系 毒死蜱作为使用量巨大的有机磷农药 其对土壤 造成的污染已引起环保工作者的高 度关注 WANG 等 27 利用固定化漆酶降解土壤中的毒死蜱 虽然取 得了明显的降解效果 但该工艺成本太高 难以实 际应用 本研究所采用的方法简便 易行 不仅实 现了秸秆的快速降解 而且还可使土壤中的毒死蜱 得到有效降解 具有良好的推广应用价值 3 4 耦合过程中含 2 4 5 三氯酚土壤的生物修复进程 本实验还探究了耦合过程对含 2 4 5 三氯酚的 土壤生物修复效果 实验时天气转冷 气温 25 左右 实验结果如图 5 所示 由于气温降低 使得 发酵过程中产酶速率变慢 产酶进程延后 漆酶活 O x yt et r a cy c l i n e deg r a d at i on r a t e 24681012 0 4 8 12 16 20 24 laccase activity control experiment 0 20 40 60 80 100 accase activ control experiment L a ccas e act iv ity I U g 1 Time d 图 3 耦合过程中漆酶活力变化及土壤中土霉素降解进程 Fig 3 Profiles of laccase production and oxytetracycline degradation in soil Time d 图 4 秸秆基质中漆酶活力的变化及土壤中毒死蜱的降解进程 Fig 4 Profiles of laccase production and chlorpyrifos degradation in soil 24681012 0 5 10 15 20 laccase control experimental 0 10 20 30 40 50 60 70 L a ccas e act iv ity I U g 1 C h lor pyr ifo s d eg ra dati on r a t e 24681012 0 5 10 15 20 laccase activity control experimental 0 10 20 30 40 50 60 70 L a ccas e act iv ity I U g 1 2 4 5 TCP deg r ada t ion ra te Time d 图 5 秸秆基质中漆酶活力的变化及土壤中 2 4 5 三氯酚的降解进程 Fig 5 Profiles of laccase production and 2 4 5 TCP degradation in soil 第 35 卷第 5 期 杨彬彬等 秸秆降解与土壤污染生物修复耦合过程的研究 933 力在第 12 d 才达到最大值 18 87 IU g 1 在漆酶作用下 土壤中的 2 4 5 三氯酚逐渐被降解 第 4 8 d 降 解速度最快 第 8 d 时 2 4 5 三氯酚降解率达到了 52 26 第 12 d 达到 65 21 而在对照组土壤中 2 4 5 三氯酚几乎没有降解 值得注意的是 第 10 12 d 2 4 5 三氯酚仍然保持着不低的降解速度 这说明降解过程没有停止 延长时间可得到更高降解率 因此 在后续工作中可通过延长耦合过程或者多轮耦合过程来提高有机污 染物的降解率 提高土壤修复效果 Lisov等 28 研究发现 在反应体系里添加 1 羟基苯并三唑 1 hydroxybenzotriazole HBT 作为介体可 以有效提高漆酶对多氯酚的作用效果 但 HBT 这种人工合成介体价格较高 同时有可能会对土壤环境造 成二次污染 所以在实际应用中有很大局限 本研究中 由于秸秆木质素在降解过程中会产生一些小分 子酚类物质 它们可以作为天然介体可促进漆酶对 2 4 5 三氯酚的降解 所以无需外加人工合成介体也能 获取得较高降解率 利用耦合过程中形成的漆酶 天然介体系统进行污染土壤修复是一个非常值得大力拓 展的研究课题 4 结 论 采用由重组里氏木霉 彩绒革盖菌和黑曲霉所组成的复合菌系 将秸秆高效降解与污染土壤修复过 程进行有机耦合 耦合过程中 微生物利用秸秆基质固态发酵可生成高活力纤维素酶 木聚糖酶和漆酶 使秸秆中的纤维素 半纤维素和木质素被加速降解 接种后第 12 d 秸秆失重率可达到 60 19 同时 固态发酵过程中生成的漆酶又可以降解土壤中的土霉素 毒死蜱 2 4 5 三氯酚等多种有机污染物 耦合 过程第 12 d 土壤中的土霉素 毒死蜱 2 4 5 三氯酚降解率分别可达到 93 4 62 34 和 65 21 研 究结果表明 将秸秆快速降解过程与污染土壤修复过程有机结合是一条经济 安全 有效的新途径 参考文献 1 石祖梁 王飞 王久臣 等 我国农作物秸秆资源利用特征 技术模式及发展建议 J 中国农业科技导报 2019 21 5 8 16 SHI Z L WANG F WANG J C et al Utilization characteristics technical model and development suggestion on crop straw in China J Journal of Agricultural Science and Technology 2019 21 5 8 16 2 石祖梁 贾涛 王亚静 等 我国农作物秸秆综合利用现状及焚烧碳排放估算 J 中国农业资源与区划 2017 38 9 32 37 SHI Z L JIA T WANG Y J et al Comprehensive utilization of crop straw in China and estimation of carbon emission from incineration J Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning 2017 38 9 32 37 3 熊严军 我国土壤污染现状及治理措施 J 现代农业科技 2010 2010 8 294 295 XIONG Y J Situation of soil contamination and the treatment strategies in China J Modern Agricultural Science and Technology 2010 2010 8 294 295 4 LI Y FANG J YUAN X Y et al Distribution characteristics and ecological risk assessment of tetracyclines pollution in the Weihe River China J International Journal of Environmental Research and Public Health 2018 15 9 1803 1813 5 JIANG Y H LI M X GUO C S et al Distribution and ecological risk of antibiotics in a typical effluent receiving river Wangyang River in north China J Chemosphere 2014 112 267 274 6 吴慧明 朱国念 毒死蜱在灭菌和未灭菌土壤中的降解研究 J 农药学学报 2003 5 4 65 69 WU H M ZHU G N Study on the degradation of chlorpyrifos in sterilized and nonsterilized soil J Chinese Journal of Pesticide Science 2003 5 4 65 69 7 FOONG S Y MA N L LAM S S et al A recent global review of hazardous chlorpyrifos pesticide in fruit and vegetables Prevalence remediation and actions needed J Journal of Hazardous Materials 2020 400 123006 123015 8 YADAV M SHUKLA A K SRIVASTVA N et al Utilization of microbial community potential for removal of chlorpyrifos A review J Critical Reviews in Biotechnology 2016 36 4 727 742 9 张慧敏 章明奎 顾国平 浙北地区畜禽粪便和农田土壤中四环素类抗生素残留 J 生态与农村环境学报 2008 24 3 69 73 ZHANG H M ZHANG M K GU G P Residues of tetracyclines in livestock and poultry manures and agricultural soils from north Zhejiang province J Journal of Ecology and Rural Environment 2008 24 3 69 73 10 STRONG P J CLAUS H Laccase A review of its past and its future in bioremediation J Critical Reviews in Environmental Science and Technology 2011 41 4 373 434 934 高 校 化 学 工 程 学 报 2021年 10月 11 KUDANGA T NYANHONGO G S GUEBITZ G M et al Potential applications of laccase mediated coupling and grafting reactions A review J Enzyme Microbial Technology 2011 48 3 195 208 12 BARRIOS ESTRADA C DE JES S ROSTRO ALANIS M MU OZ GUTI RREZ B D et al Emergent contaminants Endocrine disruptors and their laccase assisted degradation A review J Science of The Total Environment 2018 612 1516 1531 13 BILAL M RASHEED T NABEEL F et al Hazardous contaminants in the environment and their laccase assisted degradation A review J Journal of 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