链锚-超分子介体制备、拟均相催化多氯联苯生物净化机理和调控策略研究

The project carries out to overcome the drawbacks of slow anaerobic biotransformation rate of polychlorinated biphenyls (PCBs), heterogeneous catalysis of redox mediator (RM) and loss of RM as water flow. Chain anchor supramolecular mediator (CA-SM) biological catalysts with a high catalytic efficiency and easy recovery is to be prepared. Firstly, cyclodextrin (CD) clathrates RM molecules to obtain the CD-RM inclusions. Then, CD-RM inclusions are immobilized to magnetic nanoparticles, producing CA-SM biological catalysts. Due to the separation of magnetic nanoparticles in the external magnetic field, the CA-SM biological catalysts can easily separete and reuse. The CA-SM biological catalysts employ for catalyzing anaerobic dechloridation of PCBs. Catalytic mechanism is analysised and the extracellular mediators of the respiratory electron transport chain system constructed. Last but not the least, bioreactor system matching with CA-SM biological catalysts will develop to achieve RM’s effective recovery and biotransformation of PCBs. At the same time, the influence of the relevant parameters and the intermediate product during PCBs biological conversion are studied. The strategy of efficient biodegradatation for PCBs and new technology is to be established to strengthen anaerobic system, which will provide reference for the evolvement and promoting further utilizations in practical wastewater treatment process.

基于多氯联苯厌氧代谢速率慢、非水溶性介体非均相催化效率低以及介体不能有效回收的问题，项目提出一种链锚-超分子介体生物催化剂的构建策略。拟①通过环糊精包结介体，制备环糊精介体包合物，构筑非水溶性介体的拟均相生物催化剂，提高非水溶性介体的催化效能；通过磁性Fe3O4纳米粒子固定环糊精介体包合物，制备链锚-超分子介体生物催化剂，实现介体的有效分离与回收；②链锚-超分子介体用于催化加速PCBs的厌氧脱氯过程，验证其催化效能，解析生物催化机理，完善胞外介体呼吸电子传递链体系，构建介体调控电子传递构-效模型；③研发与链锚-超分子介体生物催化剂相适配的生物反应器系统，实现介体的高效催化和有效回收；同时考察相关参数对多氯联苯生物转化效率及中间产物生成的影响，建立介体催化-生物降解高效协同调控策略，形成新的厌氧生物强化技术系统，并拓展其在处理实际废水中的应用。

微生物修复具有价格低廉，环境负面影响小等优势，但是厌氧代谢速率缓慢成为污染物完全生物降解的限速步骤。氧化还原介体作为电子穿梭体可加速电子转移反应的电子传递速率，催化强化难降解污染物的生物转化，为此本项目做了三方面的工作：.1. 本项目探讨了卟啉和金属卟啉类介体强化反硝化生物转化的机理和性能研究。血红素、叶绿素、卟啉对于反硝化均具有优良的催化性能，它们可以使反应活化能降低，并使得EPS中蛋白和腐殖酸类有利于电子传递物质增加，多糖等不利于电子传递物质减少，使EPS电子传递能力增强。这些卟啉化合物可参与反硝化的电子传递链，进而加速电子传递。叶绿素对硝酸盐和亚硝酸盐的生物还原都展现出良好催化效果，有望应用于富氮水体富营养化的控制。.2. 超分子介体的制备及其强化污染物生物转化的性能研究。首先，研究了超分子强化微生物活性及其污染物生物转化的机理研究。环糊精可强化反硝化过程并对微生物的生物特性产生影响。环糊精可改变细胞膜通透性、微生物的生物量、体系的电子传递活性、胞外聚合物和酶活性等多方面。环糊精通过强化微生物的生物特性和电子传递特性提高了反硝化性能，扩宽了环糊精在环境治理中的应用。其次，采用共沉淀法制备超分子介体包合物，相对于蒽醌介体，超分子介体可以使蒽醌在水体系中的表观溶解度增大10倍以上，构筑了拟均相催化反应体系，进而实现了更高的催化性能。.3. 磁性纳米粒子固定化的介体的制备及其相适配反应器的构建。水溶性的介体在使用过程中的随水流失，造成了成本增加和二次污染，本项目将蒽醌介体修饰在磁性纳米粒子的表面，制备了醌介体磁性纳米材料，其对偶氮染料生物脱色效能具有良好的催化效能。并为醌介体磁性纳米材料的回收和重复利用设计了生物反应器，为介体的工业化应用提供技术支持。