[发明专利]异生素的生物电处理

说明书

相关申请的交叉引用

[0001]本申请要求2006年11月27日提交的美国临时专利申请顺序 号60/867,393、和2007年9月27日提交的美国临时专利申请顺序号 60/975,584的优先权，该专利通过引用整体结合到本文中。

政府支持陈述

[0002]本文描述和要求保护的发明是部分地利用美国能源部(DOE)通 过DOE Laboratory Directed Research and Development(LDRD)计划， 在合同号DE-AC02-05CH11231下提供的基金完成的。政府在本发明 中具有一定权利。

发明背景

[0003]范围广泛的异生素可以通过微生物的活动处理，并完全变成良 性产物。水处理厂利用这样的活动，例如有氧代谢，作为处理各种家 庭、工业、和农业废水的基本方法。由该工业得出生物除污的概念， 其中刺激目标微生物代谢用于处理特定的污染物组，包括汽油、单芳 香烃、含氯溶剂、多氯苯、重金属、放射性核素、杀虫剂、除草剂、 和纺织染料。在所有情况下，这些化合物的微生物代谢一般受限于合 适的电子供体或电子受体的有效性，该有效性取决于处理所针对的分 解代谢。为克服该限制，对大部分水处理设备和生物除污策略进行设 计以使供应给相关微生物群落的这些关键营养素最大化。在大多数情 况下，氧气是优选的电子受体，因为许多有机体的生物降解(氧化)的 热力学有效性与有氧呼吸偶联，而且因为分子氧被用作单加氧酶和二 加氧酶的共底物，单加氧酶和二加氧酶通常为微生物分解有机复合分 子所使用的主要攻击形式。然而，由于氧气的溶解度有限，因而给有 活性的微生物群落提供充分的氧以连续降解浓度大的有机污染物需 要安装消耗大量能源的重型设备例如鼓风机、鼓泡器、和搅拌器。相 反，许多其它污染物则通过电子供体将目标污染物异化还原成更具良 性的形式，从而潜在地降解和转变成无害的终产物。其实例为将致癌 的含氯溶剂生物还原成无害的乙烷，或将放射性可溶六价铀生物还原 成可通过过滤去除的不溶的四价形式。在这样的情况下，合适的电子 供体的供应是关键问题，因为不合适的选择或过量的添加可引起生物 淤积、水质问题、输配管道腐蚀、和致癌的三卤甲烷(THM)的产生。

[0004]有机废物和无机废物的生物处理经常受到给活性微生物群提 供合适电子供体或电子受体的限制的妨碍。

[0005]一种这样的无机废物是高氯酸盐。已知高氯酸根(ClO₄^-)，一种 可溶阴离子，影响哺乳动物甲状腺激素产生，潜在地引起新生儿神经 心理发育缺陷。其主要是具有从烟火到润滑油的种类广泛的工业应用 的合成化合物。高氯酸铵占所有制造的高氯酸盐的90％，在固体火箭 燃料和军需品中用作能量助促进剂或氧化剂。其在环境中的存在主要 起因于过往合法的制造废液的任意排放、池塘渗滤液处理、和军队库 存的定期维护。虽然高氯酸盐是强氧化剂，但由于与其还原有关的活 化能高，在大多数环境条件下高氯酸盐是相当稳定的。由于大分子体 积和单个阴离子电荷，高氯酸盐易溶于水相。此外，高氯酸盐并不显 著地吸附到土壤或沉积物中，当不存在任何生物学相互作用时，其流 动性和去向大大地受到环境水文的影响。

[0006]对高氯酸盐污染所作的清除努力主要集中于微生物还原。许多 最近研究表明：专门的微生物已经进化到可以通过将高氯酸盐厌氧还 原异化成无害氯化物来生长。现在有超过40种异化高氯酸盐还原性 细菌(DPRB)的纯培养物，并且已知在土壤和沉积环境中普遍存在能够 进行该代谢的生物体，使得就地处理相对直接。

[0007]若干生物反应器设计可用于受高氯酸盐污染的水的易地 (ex-situ)生物学减毒。最近，这些反应器设计中的一些被California Department of Health Services批准应用于受高氯酸盐污染的饮用水的 处理(URL http://www.safedrinkingwater.com/archive/sdwn051502.htm)。然而，这 些系统依赖于连续添加化学的电子供体以维持微生物活性，并遭受 生物淤积问题。此外，反应器流出物中的剩余的不稳定电子供体可刺 激配水系统中的微生物生长，在氯化消毒期间致使有潜在毒性的THM 形成。