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      LAS共代謝降解菌的降解動力學研究

      2016-09-02 05:32:27季瑞武冉治霖
      關(guān)鍵詞:裝液葡萄糖動力學

      季瑞武,周 利,冉治霖,朱 佳

      (1. 青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院,青島 266033;2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院 交通運輸與環(huán)境學院,深圳 518172;3. 深圳職業(yè)技術(shù)學院建筑與環(huán)境工程學院,深圳 518055)

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      LAS共代謝降解菌的降解動力學研究

      季瑞武1,周利1,冉治霖2,朱佳3

      (1. 青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院,青島 266033;2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院 交通運輸與環(huán)境學院,深圳 518172;3. 深圳職業(yè)技術(shù)學院建筑與環(huán)境工程學院,深圳 518055)

      研究2株直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS)共代謝降解菌的降解動力學.分別對2株直鏈烷基苯磺酸鈉共代謝降解菌克雷伯氏菌屬(Klebsiella sp.)和腸桿菌屬(Enterobacter sp.)進行研究,通過正交實驗考察了其最佳降解條件,并進行降解動力學研究.當溫度為30 ℃,pH值為7.5,裝液量為50 mL時,最適合兩株細菌降解LAS.其中菌株L-2在生長基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為500 mg/L時,對50 mg/LLAS降解率為94.2%;菌株L-15在生長基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時,對50 mg/LLAS降解率為92.2%;當LAS質(zhì)量濃度在25~100 mg/L范圍內(nèi),2菌株降解反應符合一級動力學特征.本研究可為全基質(zhì)生活污水處理LAS廢水提供一定的理論依據(jù).

      LAS;生物降解;共代謝;動力學

      Linear alkylbenzene sulfonates (LAS),它是一種陰離子表面活性劑,由于是合成洗滌劑的主要成分,在國內(nèi)外已得到廣泛應用[1-2].研究發(fā)現(xiàn),好氧條件下LAS易生物降解,但經(jīng)過較長降解時間后,仍然有20%~50%的殘留[3].廢水中的LAS會給環(huán)境帶來巨大危害,它能夠影響酶的活性,溶解微生物和無脊椎動物的生物膜,破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),危害動、植物的健康[4-7].因此,如何高效率地去除廢水中LAS成為研究的熱點.目前處理LAS的方法主要有物理分離、催化氧化和生物處理.其中生物處理法處理規(guī)模大,設(shè)備簡單,成本低,應用廣泛,是研究最多的一種方法[8-9].

      本實驗利用已經(jīng)分離鑒定的2株細菌[10],通過正交實驗,確定其最佳降解條件,并對不同質(zhì)量濃度下的LAS降解進行了研究,分析了降解動力學特征,為全基質(zhì)生活污水處理LAS提供一定的理論基礎(chǔ).

      1 材料與方法

      1.1菌種來源

      以深圳某污水廠曝氣池和二沉池污泥為菌源,分離得到了2株通過共代謝機制降解LAS的細菌,經(jīng)過鑒定為克雷伯氏菌屬(Klebsiella sp.)和腸桿菌屬(Enterobacter sp.).

      1.2培養(yǎng)基

      無機鹽培養(yǎng)基成分(g/L):MgSO4·7H2O 0.14,Ka2HPO40.43,KaCl0.06,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.005,NH4Cl 0.75,LAS 0.05.蒸餾水定容1 L,調(diào)節(jié)pH=7.2.

      1.3實驗儀器

      全溫振蕩器(HZQ-FX,哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)有限公司);高壓滅菌鍋(HVE-50,日本 Hirayama)、正置熒光顯微鏡(BX51,日本奧林巴斯)、微量離心機(MIKRO 200R,德國Hettich)、熒光分光光度計(F-7000, 日本日立)、紫外分光光度計(UV-7504,上海欣茂儀器有限公司)、電子天平(BS-124S,德國賽多利斯)、恒溫培養(yǎng)箱(MIR-254,日本三洋).

      1.4實驗方法

      1.4.1LAS降解性能的影響因素實驗

      以無機鹽培養(yǎng)基為基礎(chǔ),分別改變溫度、pH、裝液量、葡萄糖質(zhì)量濃度,以1%接菌量接種培養(yǎng)基,將250 mL錐形瓶在轉(zhuǎn)速為150 r/min搖床上振蕩培養(yǎng)5 d,檢測殘留LAS質(zhì)量濃度,計算菌株對LAS降解率.

      1.4.2菌株降解動力學

      在最優(yōu)降解條件下,用Monod方程擬合菌株L-2與L-15對LAS降解速率.

      1.4.3LAS質(zhì)量濃度測定[11]

      取1.5 mL菌體濃度OD600為1.0的培養(yǎng)液放入離心管中,8 000 r/min離心10 min后取上清液1 mL加入25mL比色管,取pH為10.6的氨-氯化銨緩沖溶液5 mL加入比色管中,添加去離子水至25 mL.以試劑空白為參比,在激發(fā)波長λex=230 nm,發(fā)射波長λem=290 nm處,測得熒光強度F,根據(jù)F值由標準曲線求得LAS質(zhì)量濃度,計算LAS降解率.降解率計算公式為:

      降解率=(C3-C2)/C1×100%

      (1)

      其中:C3為空白組培養(yǎng)一定時間后培養(yǎng)基中LAS質(zhì)量濃度;C2為試驗組培養(yǎng)一段時間后培養(yǎng)液中LAS質(zhì)量濃度;C1為初始培養(yǎng)時LAS質(zhì)量濃度.

      2 結(jié)果分析

      2.1LAS降解性能影響因素的正交實驗

      以溫度(A)、pH(B)、裝液量(C)、葡萄糖質(zhì)量濃度(D)為因素進行正交試驗,各因素均取3個水平,因素水平表見表1.

      正交試驗分析表2,3反映了細菌L-2與L-15在各因素水平下120 h后對LAS的降解率.

      表1 正交試驗各因素及其水平表

      表2 L-2正交試驗分析表

      表3 L-15正交試驗分析表

      對于因素A,1、2、3號試驗反映了A1對試驗影響,4、5、6號試驗反映了A2的影響,7、8、9號試驗反映了A3的影響.A1、A2、A3對LAS降解率影響大小可以由kA1、kA2、kA3的值判斷.由于kA1>kA2>kA3,所以A1為A因素的優(yōu)水平.根據(jù)同樣方法可知,B3、C1、D2為L-2細菌降解優(yōu)水平,B3、C1、D3為L-15細菌降解優(yōu)水平.對于L-2細菌,A1B3C1D2為最優(yōu)水平組合,即溫度為30 ℃,pH值為7.5,裝液量為50 mL,葡萄糖質(zhì)量濃度為500 mg/L;對于L-15細菌,A1B3C1D3為最優(yōu)水平組合,即溫度為30 ℃,pH值為7.5,裝液量為50 mL,葡萄糖質(zhì)量濃度為1 000 mg/L.極差R的大小可以判斷各因素對降解率影響主次,對于L-2與L-15,R1>R4>R2>R3,所以溫度對兩株細菌降解LAS影響最大,其次是葡萄糖質(zhì)量濃度和pH,裝液量對降解率的影響最小.

      2.2菌株共代謝降解動力學研究

      對初始質(zhì)量濃度為25、50、100 mg/L的LAS廢水進行降解試驗,結(jié)果如圖1、 2所示.

      圖1 優(yōu)化條件下L-2降解不同質(zhì)量濃度LAS過程

      圖2 優(yōu)化條件下L-15降解不同質(zhì)量濃度LAS過程

      從圖1、2中可以看出,LAS質(zhì)量濃度呈指數(shù)型下降,在降解初始階段,LAS質(zhì)量濃度下降快,隨后趨于平緩.各擬合曲線均符合一級反應動力學方程,一般反應過程可表示為:

      V=VmC/(k+C)

      (2)

      其中:V為反應速率,t-1;Vm為最大反應速率,t-1;C是底物質(zhì)量濃度,mg/L,k為半飽和速率常數(shù),當降解反應遵循一級動力學方程時,C?k時,方程(2)可以寫為:

      V=VmC/k

      (3)

      反應速率常數(shù)k0=Vm/k,由式(3)求得底物質(zhì)量濃度與時間關(guān)系為:

      C=C0e-k0t

      (4)

      表4 L-2降解動力學方程

      表5 L-15降解動力學方程

      從表4、5可以看出,不同初始LAS質(zhì)量濃度條件下,LAS降解率的實際值與理論值符合較好,擬合的相關(guān)系數(shù)平方R2均在0.92以上.對于菌株L-2,隨著LAS初始質(zhì)量濃度的升高,反應速率常數(shù)k0先升高后降低,當LAS初始質(zhì)量濃度高于50 mg/L時,由于LAS的毒性作用,細菌生長繁殖會受到抑制,代謝活動減慢,因此降解速率下降,屬于典型的抑制動力學.

      3 結(jié) 論

      1)正交實驗表明細菌L-2的最適降解條件是溫度30 ℃ ,pH=7.5,裝液量50 mL,葡萄糖質(zhì)量濃度500 mg/L;細菌L-15的最適降解條件是溫度30 ℃,pH=7.5,裝液量50 mL,葡萄糖質(zhì)量濃度1 000 mg/L.

      2)添加葡萄糖為生長基質(zhì)的無機鹽培養(yǎng)基中,在最適降解條件下,細菌L-2在120 h后對50 mg/L的LAS降解率為94.2%,細菌L-15在120 h后對50 mg/L的LAS降解率為92.2%.

      3)當LAS質(zhì)量濃度小于100 mg/L時,細菌L-2與L-15降解LAS反應符合一級動力學方程,LAS質(zhì)量濃度較低時,反應速率常數(shù)較大,質(zhì)量濃度較大時,由于LAS的毒害用,細菌生長繁殖受到抑制,降解反應速率降低.

      [1]NOMURA Y, IKEBUKURO K, YOKOYAMA K,etal. Application of a linear alkylbenzene sulfonate biosensor to river water monitoring [J]. Biosensors and Bioelectronics, 1998, 13(9): 1047-1053.

      [2]SCHLEHECK D, LECHNER M, SCH?NENBERGER R,etal. Desulfonation and degradation of the disulfodiphenylethercarboxylates from linear alkyldiphenyletherdisulfonate surfactants [J]. Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69(2): 938-944.

      [3]MUNGRAY A K, KUMAR P. Fate of linear alkylbenzene sulfonates in the environment: a review [J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2009, 63(8): 981-987.

      [4]JENSEN J. Fate and effects of linear alkylbenzene sulphonates (LAS) in the terrestrial environment [J]. Science of the Total Environment, 1999, 226(2): 93-111.

      [5]BRAGADIN M, PERIN G, RACCANELLI S,etal. The accumulation in lysosomes of the anionic detergent linear alkylbenzene sulfonate [J]. Environmental Toxicology andChemistry, 1996, 15(10): 1749-1751.

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      [9]CAROSIA M F, OKADA D Y, SAKAMOTO I K,etal. Microbial characterization and degradation of linear alkylbenzene sulfonate in an anaerobic reactor treating wastewater containing soap powder[J]. Bioresource technology, 2014, 167: 316-323.

      [10]季瑞武. 水基清洗劑(WBD)廢水降解菌株的分離、鑒定及特性研究[D].青島: 青島理工大學, 2015.

      [11]MENG Q, GE S, LI W. The determination of linear alkylbenzene sulphonate in drinking water and sewage by fluorescence spectrometrt [J].Journal of environment and health, 1999, 16(2): 112.

      Study on degradation kinetics of co-metabolic biodegradation of linear alkylbenzene sulfonate strains

      JI Rui-wu1, ZHOU Li1, RAN Zhi-lin2, ZHU Jia3

      (1. School of Environment and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China;2. School of Transportation and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China;3. Department of Building and Environmental Engineering, Shenzhen Polytechnic Institute, Shenzhen 518055, China)

      The degradation kinetics of co-metabolic biodegradation of two linear alkylbenzene sulfonate (LAS) strains was studied. Two bacterial strains which could degrade linear alkylbenzene sulfonate by co-metabolism mechanism, named as L-2 and L-15 were determined to Klebsiella sp. and Enterobacter sp. The optimal degradation conditions of L-2 and L-15 were investigated by the orthogonal experiment. The results suggested that the degradation rate of LAS (50 mg/L) by L-2 was up to 94.2% when glucose was chosen as growth substrate under the conditions as: 30 ℃, pH 7.5, glucose concentration 500mg/L, while the degradation rate of LAS (50 mg/L) by L-15 was up to 92.2% under the conditions as: 30 ℃, pH=7.5, glucose concentration 1 000 mg/L. The degradation reactions fitted first order kinetics when the concentration of LAS ranged from 25 mg/L to 100 mg/L. Certain theoretical basis of the treatment of LAS wastewater was provided by this study.

      LAS; biodegradation; co-metabolism; degradation kinetics

      2015-11-23.

      深圳市科技計劃(JCYJ2014050815 5916418)

      季瑞武(1991-),男,碩士,研究方向:微生物生理生化.

      朱佳,E-mail:zhmjia65@163.com.

      X172

      A

      1672-0946(2016)04-0449-04

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