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化工原料常见问题

“万能”助溶剂二甲基亚砜不“万能”

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 导读  

DMSO(二甲基亚砜)是一种重要的有机助溶剂,可以溶解各种难溶的极性和非极性分子。DMSO通常被认为是无毒的,广泛应用于科学研究、医疗、制药和工业生产。在DMSO应用过程中,大部分DMSO可以通过真空蒸馏回收,但仍有较高浓度的DMSO会排放到污水中,目前尚不清楚这种“安全”的工业助溶剂是否会影响废水处理过程。为此,山东大学环境科学与工程学院倪寿清教授团队采用实验室规模的生物反应器,系统研究了DMSO对部分硝化(PN)工艺启动、污染物去除效率和微生物群落的影响,探究了使用DMSO作为溶剂时的适合浓度,其结果近期发表于ACSES&TWater上。  

01  原文信息  

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02  研究内容  

课题组采用实验室规模的生物反应器,探究了DMSO对PN工艺的影响:通过水质测定、比好氧速率(SOUR)等评估其对PN工艺启动时间、反应终点以及反应速率的影响;探究了DMSO存在下微生物群落多样性和群落结构的改变;运用HPLC-MS和宏基因组技术分析了DMSO在污水处理过程中的转化途径。  

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03  主要结果  

(1)DMSO对PN工艺启动及活性的影响  

PN工艺的启动时间受到了DMSO的影响,与不添加DMSO的对照组相比,随着DMSO浓度的增加,PN的启动时间逐渐变长,当DMSO添加量为1%和2%时,PN工艺启动时间分别为14天和20天,而添加量为3.5%时,PN启动时间为42天,DMSO浓度大于2%时,对PN过程有显著的抑制作用(图1)。比耗氧速率测定结果显示,无DMSO添加组的AOB比耗氧速率最高,3.5%DMSO添加组中的AOB比耗氧速率最低。  

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图1.在DMSO浓度为0%(A)、0.1%(B)、1%(C)、2%(D)和3.5%(E)时启动部分硝化。NAR,亚硝酸盐积累速率。ARE,氨去除效率。  

(2)DMSO对PN工艺中微生物群落的影响  

PCA分析显示,微生物群落在DMSO添加和PN环境下分为四个类群(图2A)。低浓度DMSO组的关键微生物为Blastocatellia和Clostridia(图2B),高浓度组为Actinobacteria和Acidobacteria(图2C)。对不同DMSO浓度下PN反应器中微生物组成进行分析,结果显示接种污泥中的主要门拟杆菌门(45.47%)和变形菌门(28.55%)在第14天转变为变形菌门、Planctomycetes和Acidobacteria,最终在第44天转变为变形菌门、Acidobacteria和Planctomycetes(图2D)。对不同DMSO浓度下微生物功能进行预测,发现0.1%浓度DMSO显著提升了脂代谢相关基因,而维生素代谢相关基因表达降低(图2E)。  

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图2.DMSO对PN工艺中微生物群落的影响。(A)PCA分析;(B&C)生态网络分析;(D)微生物组成分析;(E)微生物群落功能分析。  

(3)DMSO在PN工艺中的降解路径  

DMSO的添加对微生物硫代谢过程无显著影响,污水中的DMSO降解不依赖图3所示硫代谢通路进行。  

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图3.DMSO对PN工艺微生物群落硫代谢功能的影响。红字红框表示该酶在微生物群落中存在,黑字黑框表示该酶在微生物群落中未检出。  

通过LC-MS分析发现,DMSO在反应器中被降解,生成了大量的甲次磺酸。结果表明,目前广泛使用的生物溶剂DMSO在高浓度时对微生物具有毒性,使用DMSO作为溶剂时,浓度应小于2%(图4)。  

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图4.在典型的PN循环中DMSO的降解。(A)典型循环中不同反应器DMSO浓度的变化。(B)LC-MS分析PN过程中DMSO的代谢物。  

04  研究结论  

虽然DMSO被广泛用作助溶剂,但由于其高渗特征,可能会对微生物造成伤害。在废水处理领域,DMSO浓度小于2%是可以接受的;但当DMSO浓度增加到3.5%时,对PN工艺有明显的抑制作用。DMSO在PN过程中不稳定,废水处理过程中产生了一种新的污染物甲次磺酸。综上所述,广泛使用的生物溶剂DMSO并不是“万能”的,在高浓度时对微生物具有毒性,使用DMSO作为溶剂时,DMSO的浓度应小于2%。


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