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BAF工藝預(yù)處理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征

文檔作者：張文藝王逸超1 蔡慶慶1 2 文檔來(lái)源： 1．常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 2．江蘇龍環(huán)環(huán)境科技有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月12日
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第18卷第4期
2018年8月
過(guò)程工程學(xué)報(bào)
The Chinese Jo啪al of Process Engineering
、，ol_18 No．4
Aug．2018 琴銎器粕環(huán)臨薪境?與一鰓j能i耳源翻：￡囂 DOI：10．12034／j．issn．1009—606x．217354
Microbial characterization of micro polluted source water containing microcystin
pretreatment with biological aerated filter
Wenyi ZHANG卜， Yichao WANGl， Qingqing CAll，2
1．Sch00l of Enviro砌ental&amp;amp;Safety Enginee血g，Changzhou UniVersi吼Changzhou，Jiangsu 2 1 3 1 64，China
2．Jiangsu Longhuan EnViromental Science Co．，Ltd．，Changzhou，Jiangsu 2 1 3 l 27，China
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穗伊醯a|i強(qiáng)ofMC—LR．
1‘蟹wo堪s：盤(pán)i11越ng wa_嘧sources；biolo苗cal裁豫tcd丘lt盱；mic∞偽翟；乏Ini鋤
BAF工藝預(yù)處理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征
張文藝¨， 王逸超1， 蔡慶慶1’2
1．常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州213164
2．江蘇龍環(huán)環(huán)境科技有限公司，江蘇常卅『213127
摘要：以曝氣生物濾池載體表面的生物膜為研究對(duì)象，通過(guò)鏡檢、磷脂脂肪酸(PLFA)測(cè)定、高通量454測(cè)序等手段研究了生
物膜降解含氮有機(jī)物和微囊藻毒素．亮氨酸(MC．LR)的微生物特征．結(jié)果表明，低碳源的微污染水源中水生物膜的微生物群落極
為豐富，形成了由好氧細(xì)菌組成的微生物群落，運(yùn)行前2周有6大門(mén)類(lèi)17大種屬，3—4周增加到14大門(mén)類(lèi)43大種屬，還有線
蟲(chóng)、草履蟲(chóng)、水蚤等原生動(dòng)物；優(yōu)勢(shì)菌屬有球衣菌屬勛^口P加打船(2_4l％一24．58％)、氣單胞屬彳eromo，l口s(4．16％一12．59％)、黃桿菌屬Cf0口cf6口c把ri“m(1．85％一12．39％)、水桿菌屬爿q“口6Ⅱc把rf“朋(1．53％一6．76％)、噬氫菌屬帥矽，l叩^以肜(1．12％一5．9％)、嗜甲
基菌屬脅旃yfove昭口“凰(0．53％～1．52％)、紅桿菌屬R．1lD如6口c把r(0．09％一1．39％)等．此外，投加0．16％T1菌劑芽孢桿菌后其含量
增至1．97％，表明投加T1降解菌后芽孢桿菌迅速生長(zhǎng)并成為優(yōu)勢(shì)種群，可強(qiáng)化降解Mc—LR．
關(guān)鍵詞：水源水；曝氣生物濾池；微生物
中圖分類(lèi)號(hào)：x524；x703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009—606x(2018)04—0866—06
收稿：2017一lO一23，修回：2叭7一12一19，網(wǎng)絡(luò)發(fā)表：2叭8—03—28，Received：2017一10—23，Revised：2017—12—19，Published online：2018一03—28
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：41571471)；國(guó)家“十三五”科技重大專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2叭7zx07202002)
作者簡(jiǎn)介：張文藝(1968一)，男，安徽省安慶市人，博士，教授，研究方向：水污染控制與生態(tài)修復(fù)，E-mail：z、vy@cczu．edu．cn．
蓉l用捂式：張文藝，王逸超，蔡慶慶．BAF工藝預(yù)處理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征．過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2018，18(4)：86“871．
Zhen_g W、‘w越lg YC，Cai Q Q．Mi凹o(jì)bial ch礎(chǔ)lccI疵=Btion ofmi啪polIutcd s刪∞e啪缸con乜IiningⅡli鈕咖妒etl％曩鏹髓t with
biological ae均：【ed fiIter(in chille勸．Chin．J．ProI∞ss Eng．，2018，18(4)：866_871，DOI：10．12034／j．issn．1009·606X．217354．
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第4期張文藝等：BAF工藝預(yù)處理含MC微污染水源的微生物特征867
1 前言
微污染水源水存在氮污染嚴(yán)重、溶解性有機(jī)物含量
過(guò)高、細(xì)菌及藻類(lèi)大量繁殖等問(wèn)題，采用生物預(yù)處理技
術(shù)不僅可有效改善其混凝沉淀性能、減少混凝劑用量，
還能去除常規(guī)處理工藝不能去除的污染物，近年來(lái)在處
理微污染水源水領(lǐng)域備受關(guān)注【¨．微污染水源水的生物
預(yù)處理技術(shù)一般指生物膜法和生態(tài)法，生物膜法包括生
物接觸氧化法、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)等，而生態(tài)法多采
用潛流式人工濕地或表面流人工濕地．
微囊藻毒素(Microcystin，MC)主要由富營(yíng)養(yǎng)化水體
中的微囊藻產(chǎn)生，在微囊藻細(xì)胞內(nèi)合成，細(xì)胞破裂后便
釋放出來(lái)，其多種異構(gòu)體中MC．LR(亮氨酸)分布最廣，
危害最大．MC．LR分子因具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)及間隔雙鍵而在
水環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，常在生物體內(nèi)富集和存留，
具有很強(qiáng)的肝毒性和促癌作用，我國(guó)《生活飲用水水質(zhì)
衛(wèi)生規(guī)范》(GB5749．2006)將飲用水源中MC．LR濃度限
定為1．0¨g／L，并作為飲用水質(zhì)必檢指標(biāo)．
曝氣生物濾池(Biological Aerated FilteL BAF)工藝
集生物降解和物理截留于一體，近年來(lái)被國(guó)內(nèi)一些水廠
用于微污染水源水預(yù)處理．BAF工藝主要利用生物膜中
微生物的強(qiáng)氧化分解及生長(zhǎng)代謝作用去除微污染水源
水中的各種污染物，其表面微生物種群結(jié)構(gòu)的分析國(guó)內(nèi)
外雖己有相關(guān)報(bào)道[2_4】，但多數(shù)是采用傳統(tǒng)的生物技術(shù)
手段，對(duì)低碳源條件下BAF生物膜中微生物的特性報(bào)道
較少．本研究采用近年來(lái)興起的磷脂脂肪酸
(Phospholipid Fatcy Acid，PLFA)分析和微生物高通量
454測(cè)序手段，考察生物膜中的微生物群落特征，揭示
低碳源BAF中的微生物分布、功能和種群多樣性特性．
2 實(shí)驗(yàn)
2．1 BAF實(shí)驗(yàn)裝置與處理方法
實(shí)驗(yàn)裝置如圖l所示，為上向流單級(jí)曝氣生物濾池，
主要由反應(yīng)主體、進(jìn)水箱、空氣泵、水泵、計(jì)量設(shè)備等
構(gòu)成，總體積2．43 L，有效高度1．2 m．反應(yīng)主體承托層
高10 cm，由粒徑12 cm的礫石組成，填料層高80 cm，
分別為粒徑2~4和4～8 mm的兩段各高40 cm的沸石填料
層，孔隙率為52％．曝氣裝置采用空氣泵充氣，由燒結(jié)
砂芯曝氣頭布?xì)猓M(jìn)水由恒流水泵抽入BAF反應(yīng)器下
端，出水由上端經(jīng)導(dǎo)管排出，反沖洗管也由下端進(jìn)水進(jìn)
氣，上端出水．
BAF運(yùn)行初期，于掛膜階段將1％Tl菌(芽孢桿菌)
菌液500 mL與生活污水混合，在水力負(fù)荷0．07
m3／(m2．h)、氣水體積比2：1的條件下持續(xù)曝氣進(jìn)水1周．
1．Feedtalll(
2．PumD
3．Liaujd now meteo
4 Aerated Blower
5．Airnow meter
6 2～4 mm clinoptilolite layeo
7 4～8 mm cIinoDtilolite laver
8．Support layer(graVel)
?』]E
4 5
h}一一r弓
2 3 雕
圖l上向流BAF實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
Fig．1 Schematic diagram of up·flow BAF reactor
2．2檢測(cè)方法
2．2．1微囊藻毒素測(cè)定方法
微囊藻毒素測(cè)定采用高效液相色譜法，具體步驟參
照《水中微囊藻毒素的測(cè)定》(GB／T 20466．2006)．
2．2．2微生物鏡檢方法
微生物鏡檢用xSP一8C數(shù)碼倒置生物顯微鏡(上海光
學(xué)儀器廠)觀測(cè)，微生物識(shí)別參考《淡水微型生物圖譜》【51．
2．2．3磷脂脂肪酸的測(cè)定方法
磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatt)r Acid，PLFA)測(cè)定方
法參照文獻(xiàn)[6】．
2．2．4總DNA提取
用強(qiáng)力生物薄膜DNA提取試劑盒(深圳安必勝科技
有限公司)進(jìn)行總DNA的提?。?
2．2．5高通量454測(cè)序
BAF生物膜用高通量454焦磷酸測(cè)序，委托上海天
吳生物科技有限公司測(cè)定．
3結(jié)果與討論
3．1污染物去除情況
掛膜成功后持續(xù)運(yùn)行30 d，BAF對(duì)各污染物的去除
情況如表1所示．
表1 BAF對(duì)各污染物的去除情況
!!!!!!墾!翌竺Σ!!塑坐21Σ塑竺堅(jiān)巳竺!!竺塑堡壘Z星壘星
PoIlutallt——拿墮墮叢巡堂型一A”emg。lnnuent Effluent removal mte／％
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
868 過(guò)程工程學(xué)報(bào)第18卷
3．2微生物鏡檢分析
采用生物倒置顯微鏡觀察生物膜．由圖2可知，生物
膜上有原生生物線蟲(chóng)、草履蟲(chóng)、水蚤等，微生物較豐富，
利于水中有機(jī)物污染的降解．線蟲(chóng)屬寄生類(lèi)，在污水中
獨(dú)立?；?，可同化微乍物不易降解的同體有機(jī)物：草履
博
蟲(chóng)屬纖毛類(lèi)，喜食細(xì)菌及有機(jī)顆粒，在污水處理中競(jìng)爭(zhēng)
力較強(qiáng)；水蚤為微型甲殼類(lèi)動(dòng)物，以細(xì)菌和藻類(lèi)為食料，
可降解污水中的微囊藻．鏡檢還發(fā)現(xiàn)生物膜上出現(xiàn)了團(tuán)
藻，其可利用光合作用通過(guò)生物代謝實(shí)現(xiàn)污水脫氮除磷．
●■
3勢(shì)
算舅
圖!生物且艾微生物銳檢結(jié)糶
Fig．2 The examination ofbiological membrane microbial microscopic
表2 BAF底泥中提取的磷脂脂肪酸
Table 2 Phospholipid f-attv acids ex仃acted fIrom sediment of BAF
Fatty acidspecies PLFA bi。marker c。ncen眥i。11／(m。㈨Microbi。l。gical indicat。r type 9糟蓋=者。c籬m
SatIlmtcd fatty acid 16：oo 0．258 Bacteria(咫例如mo一甜口P刪甩∞Ⅱ)㈣10．32 42．48
18：oo O．184 Bacteria(eosinophilic局協(xié)昭PH幻cfⅣf)【1卅7．35 30．26
Unsaturated fatty acid a19：OO O．138 Bacteria∽cf抽o，，lycPt甜)?31 5．52 22．73
表3生物膜法與生態(tài)法微生物特征的對(duì)比
Table 3 Microbial characteristics comparison of biofilm process and ecological 1aw
Research obiect Microbiolo gjcalindicator type Phosphatidic fatty acid biomarker Ref
SubsIlrface F】ow wet】aI】d jn cjty sewage Aerobjc bact兩a卸d actjnomycetes 17：00，18：00，9Mel9：oo [6】
tr℃atlllent plant tail water
加j?！皃urification ofVillage sewage project Aerobicbacteria，柚aerobicbacteria，bacteria， a16：1∞9c，訂6：1∞7c，17：00，18：l∞9t，14：00， [14]
by ecological method 劬gi，themophilic thernl01”obacilli，etc 16：OO，18：3(06c，18：l∞9c，18：00，12Mel4：00，
2l：00，22：00，23：00，28：00，etc．
3．3磷脂脂肪酸分析
對(duì)曝氣生物濾池中的生物膜進(jìn)行PLFA測(cè)定，結(jié)果
見(jiàn)表2．由表可知，共檢測(cè)到3種磷脂脂肪酸，且BAF中
微生物均為細(xì)菌，其中a19：OO為不飽和脂肪酸，其在BAF
中的含量為0．138 nmo№；其次是飽和脂肪酸16：00和
18：00，其在BAF中的含量分別為0．258和0．184 nmo垤；
含量最多的是飽和脂肪酸16：00．文獻(xiàn)【7_13】研究得出
PLFA量和生物量之間存在(2—5．9)×104 cel師mol的轉(zhuǎn)換
系數(shù)，按4×104 cell／pmol推算，16：00，18：00和a19：00的指
示生物量分別為10．32×106，7．35×106和5．52×106 cel垤，
指示微生物均為好氧細(xì)菌．
PLFA分析的原理是基于磷脂幾乎是所有生物細(xì)胞
膜的重要組成部分，細(xì)胞中磷脂含量在自然條件下(正
常的生理?xiàng)l件下)恒定，其長(zhǎng)鏈脂肪酸的形式一磷脂脂
肪酸PLFAs可作為微生物群落的標(biāo)記物．表3為生物膜
法與生態(tài)法微生物特征的對(duì)比．尹勇等【14]通過(guò)PLFA檢
測(cè)研究蘇南地區(qū)生態(tài)強(qiáng)化法原位凈化村鎮(zhèn)污水工程中
底泥的微生物多樣性，發(fā)現(xiàn)底泥的生態(tài)群落以假單胞桿
菌、好氧細(xì)菌為主導(dǎo)；胡林潮等【6】采用PLFA檢測(cè)揭示潛
流式人工濕地消納城市污水廠尾水的微生物特性及機(jī)
制，其底泥中形成了以好氧細(xì)菌和硫酸鹽還原菌為主的
微生物結(jié)構(gòu)；而本研究通過(guò)PLFA檢測(cè)研究BAF反應(yīng)器
生物膜上微生物的結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道，結(jié)果顯示在
BAF中形成了由好氧細(xì)菌組成的微生物群落，與濕地中
的微生物結(jié)構(gòu)較相似，也符合曝氣生物濾池持續(xù)進(jìn)氧引
起好氧微生物大量繁殖的規(guī)律．
3．4高通量測(cè)序分析
3．4．1 PCR擴(kuò)增及高通量測(cè)序
從BAF填料上刮取生物膜，采用PowerBiofilm試劑
盒提取總DNA，將其進(jìn)行PCR擴(kuò)增及高通量測(cè)序，結(jié)果
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第4期張文藝等：BAF工藝預(yù)處理含MC微污染水源的微生物特征869
如圖3所示．由圖可知，樣本基因組條帶清晰，無(wú)降解，
且在目的區(qū)域擴(kuò)增條帶良好，滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求．
DZ 1 PoslIlVc conIrol DZ2 Ncga¨、c control M DL200()
幽3 PCR擴(kuò)增檢測(cè)結(jié)果
Fig．3 Result in the PCR鋤pl坶
3．4．2不同時(shí)段微生物種群多樣性變化分析
BAF反應(yīng)器運(yùn)行初期與后期微生物群落在門(mén)分類(lèi)
水平上的分布見(jiàn)圖4．由圖可知，運(yùn)行初期與后期BAF
中微生物均主要隸屬于6個(gè)門(mén)，其中變形菌門(mén)
Be細(xì)口，DfPD6口c胞r缸占主要優(yōu)勢(shì)，均超過(guò)50％，其它優(yōu)勢(shì)
菌門(mén)分別為擬桿菌門(mén)B口cfer0^沈f酷(24．37％～24．9％)、放
線菌門(mén)彳c砌D6口c胞“口(0．08％～2．48％)、綠彎菌門(mén)
CyfD礎(chǔ)昭脅(0．15％一1．86％)、厚壁菌門(mén)，仫Ⅷ6口c幼百婦
(1．4％～20．38％) 、浮霉菌門(mén)尸腸，zcfDmycPf缸
(0．18％一3．86％)，運(yùn)行后期新增螺旋體門(mén)、酸桿菌門(mén)、
疣微蔭門(mén)、廣卉菌門(mén)、裝甲菌門(mén)、綠蔭門(mén)等[15】．
—■●
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圖4微生物群落組成分布(門(mén)水平)
Fig．4 Distribution of microbial commLul時(shí)at phylum 1evel
圖5為BAF反應(yīng)器運(yùn)行不同時(shí)期微生物群落在屬分
類(lèi)水平上的分布情況，由圖可知，優(yōu)勢(shì)菌屬分別為球衣
菌屬印砌Pm打ms(2．41％～24．58％)、氣單胞屬Aemmonas
(4．16％一12．59％)、黃桿菌屬Cfo口cf6口cfP一“小
(1．85％～12．39％)、水桿菌屬爿g“口6口c胞rf“，，l(1．53％一
6．76％)、嗜甲基菌屬M(fèi)e協(xié)yfDw陋口ff凰(0．53％一1．52％)、
紅桿菌屬R^D如6口c衙(0．09％～1．39％)、噬氫菌屬
∞，dmgPn印^唧(1．12％一5．9％)等．BAF運(yùn)行后期出現(xiàn)了
芽孢桿菌屬、產(chǎn)黃菌屬、不動(dòng)細(xì)菌屬、嗜酸菌屬、叢毛
單胞菌屬、屠場(chǎng)桿狀菌屬、假黃單胞菌屬、密螺旋體屬、
玫瑰單胞菌屬、假單胞菌屬等優(yōu)勢(shì)菌屬，微生物多樣性
較初期更高．此外，投加T1菌劑芽孢桿菌后其含量由最
初的0．16％增加到1．97％，BAF對(duì)MC—LR的降解率由
58．82％增加到79．45％，表明投加T1降解菌后芽孢桿菌迅
速生長(zhǎng)并成為優(yōu)勢(shì)種群，可強(qiáng)化降解MC．LR．
黃桿菌CfD口cf6ac據(jù)，．f“m屬擬桿菌門(mén)，為兼性厭氧細(xì)
菌，在缺氧條件下通過(guò)反硝化作用將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮
氣．假單胞菌屬于Y．變形菌綱的假單胞菌科，芽孢桿菌
屬于厚壁菌門(mén)的芽孢桿菌科，均具有較強(qiáng)的好氧反硝化
能力．R^D如6口c陀r屬于Cc一變形亞門(mén)的紅桿菌科，可利用
微污染水體中的有機(jī)物進(jìn)行異養(yǎng)代謝反應(yīng)，從而降低水
中高錳酸鹽指數(shù)(CODM。)【16】．訛歷yzD把門(mén)P陽(yáng)屬于B．變形
菌綱的嗜甲基菌屬科，為好氧細(xì)菌，通過(guò)呼吸代謝，以
銨鹽和硝酸鹽為氮源．
圖5微生物群落組成分布(屬水平)
Fig．5 Distribution of micmbial commuIlity at genus leVel
3．5磷脂脂肪酸與高通量對(duì)比分析
PLFA檢測(cè)技術(shù)作為一種生物標(biāo)記技術(shù)，在人工濕
地底泥微生物研究領(lǐng)域應(yīng)用較多，但多為定性分析．高
通量測(cè)序技術(shù)一次可對(duì)幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條DNA分子進(jìn)
行序列測(cè)定，可完整顯示所有微生物種屬及其含量，具
有里程碑的意義．本研究同時(shí)采用PLFA檢測(cè)和高通量
測(cè)序兩種技術(shù)研究BAF生物膜上的微生物多樣性，
PLFA分析結(jié)果顯示生物膜上形成了放線菌、假單胞菌
等好氧細(xì)菌，而高通量測(cè)序結(jié)果顯示生物膜上形成了以
放線菌、芽孢桿菌、擬桿菌、假單胞菌等為主的好氧菌
或兼氧菌，兩者具有較好的一致性，同時(shí)也符合曝氣生
物濾池持續(xù)進(jìn)氧引起好氧微生物大量繁殖的規(guī)律．
．—．—．，‘．—．*．，．—．r．L
∞
鯽
∞
∞
加
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
870 過(guò)程工程學(xué)報(bào)第18卷
3．6 MC—LR微生物降解機(jī)制分析
多種研究【17，18】表明，MC．LR的生物降解途徑多遵循
由多肽到二肽再到氨基酸和氨的轉(zhuǎn)化過(guò)程．因此，推測(cè)
環(huán)狀MCs轉(zhuǎn)化為線型MCs是MC．LR生物降解至關(guān)重要
的一步．
文獻(xiàn)【19-22】通過(guò)大量研究，從酶學(xué)和基因分子層面揭
示了MC—LR的微生物降解途徑：生物酶通過(guò)不斷破壞
MC．LR分子中的肽鍵，將MC．LR由穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)斷
開(kāi)形成七肽直鏈，并進(jìn)一步生成更小的多肽，最終轉(zhuǎn)化
為氨基酸和氨．此過(guò)程中至少有mlrA，mlrB和mlrC三種
生物酶參與了反應(yīng)，首先，mlrA通過(guò)打開(kāi)Adda基團(tuán)側(cè)鏈
與精氨酸間的共軛雙鍵，將環(huán)狀MC．LR變成七肽直鏈；
然后，mlrB負(fù)責(zé)破壞連接丙氨酸與亮氨酸的肽鍵從而生
成四肽化合物；最終，mlrC通過(guò)進(jìn)一步降解將四肽化合
物轉(zhuǎn)化為氨基酸．
4 結(jié)論
以曝氣生物濾池(BAF)反應(yīng)器載體表面的生物膜為
研究對(duì)象，通過(guò)鏡檢、磷脂脂肪酸(PLFA)測(cè)定、高通量
454測(cè)序等手段，揭示了生物膜降解含氮有機(jī)物和微囊
藻毒素．亮氨酸(MC．LR)的微生物特征，得到如下結(jié)論：
(1)BAF載體表面的生物膜中微生物種類(lèi)豐富，有
原生生物(線蟲(chóng)、草履蟲(chóng)、水蚤)和藻類(lèi)(團(tuán)藻)等，形成
了由好氧細(xì)菌組成的微生物群落．
(2)BAF運(yùn)行的前2周生物膜上微生物有6大門(mén)類(lèi)17
大種屬，3—4周后增加到14大門(mén)類(lèi)43大種屬，其中變形
菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、放線菌門(mén)等占主要優(yōu)勢(shì)，黃桿菌科
CfD口cf施c把““m、紅桿菌科尺而D如6口c柳、嗜甲基菌屬
Methylotenera、芽孢桿菌和假單胞菌等在微污染水源水
凈化中起主要作用．
(3)投加0．16％Tl菌劑芽孢桿菌后，其含量增至
1．97％，MC．LR的降解率由58．82％增至79．45％，表明T1
菌劑具有強(qiáng)化降解MC．LR的作用．
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