苯酚是造纸、炼焦、纺织和石油化工等工业废水中的主要污染物,即使在低浓度下对生物体也有毒害作用,如果不加以处理,会对人类健康和农作物的生长造成不良影响〔1〕,中国等许多国家已将其列为重点污染物。在环境中,利用微生物的活动降解苯酚具有处理成本低、二次污染小等优点〔2〕。国内外学者已分离得到一些降解苯酚的菌株,主要有假单胞菌(Pseudonomonas sp.)、酵母菌(Yeast trichosporon)、真养产碱菌(Alcaligenes eutrophus)等〔3, 4〕。这些菌种的生长都能以苯酚为单一碳源,但不同的微生物菌种和实验条件会导致微生物降解能力差异较大。 本实验从焦化废水处理系统中分离出一株沙雷氏菌株,该菌种能以苯酚为唯一碳源和能源,并且能够适应焦化废水复杂的水质环境。对该菌株的生长特性和动力学特性进行了研究,以进一步了解焦化废水中微生物的特性,从而为焦化废水的生物处理提供一定的理论基础。 1 材料与方法 1.1.2 培养基 唯一碳源培养基:KH2PO4 2.0 g,NH4Cl 1.0 g, CaCl2·2H2O 60.0 mg,MgCl2·6H2O 50.0 mg,FeCl3· 6H2O 2.5 mg,NaNO3 10.0 mg,Na2SO4 10.0 mg,蒸馏水1 000 mL,苯酚(根据需要加入)。 1.2 实验方法 取经过驯化后的菌种培养液倍比稀释,涂布于富集培养基平板上,于30 ℃恒温培养箱中倒置培养,然后根据菌落形态,如菌落大小、边缘性状、菌落颜色、隆起程度和表面形状等的差别,对各菌落反复划线分离,得到纯菌株。之后将各菌落接种在富集培养基斜面上,于4 ℃冰箱中保藏,备用。 1.2.2 苯酚降解菌的筛选 1.2.3 菌种最佳降解条件研究和动力学实验方法 1.2.4 分析方法 2 结果与讨论
2.2 菌种降解条件研究
图 1 pH 对菌株降酚性能的影响 由图 1 可以看出,当pH<8.0 时,苯酚降解率随 pH 的升高而增大;当pH>8.0 时,苯酚降解率随pH 的升高而降低。这可能是由于pH 过高,抑制了菌种的生长和降酚酶的活性。相对而言,在pH=8.0 的条件下,菌株降解苯酚的效果最好。 2.2.2 温度对菌株降酚性能的影响 2.2.3 菌种量对菌株降酚性能的影响
图 2 菌种量对菌种浓度和降酚性能的影响 由图 2 可以看出,随着菌种量的增加,苯酚降解率也在增加,这也说明了菌种量的增加,可缩短菌株的迟滞期。虽然适当增加投菌量,有利于快速去除水体中的苯酚,但过多的增加投菌量并不能有效提高降解速率,反而增加了处理成本。综合考虑,本实验采用的菌种量为5%。 2.2.4 初始苯酚浓度对菌株降酚性能的影响
图 3 初始苯酚浓度对菌株降酚性能的影响 由图 3可以看出,随着苯酚初始浓度的增加,菌株的生长繁殖速率和苯酚的降解速率随之下降。由此可以看出,苯酚对该菌株有一定的毒性,可抑制菌体的生长和繁殖,影响其对苯酚的降解。 2.3 菌种生长曲线及降解特性
图 4 菌种生长曲线及苯酚降解曲线 由图 4 可知,菌株经过32 h 停滞期后进入对数增长期,60 h 以后处于稳定期。在52 h 内,该菌株能将400 mg/L 的苯酚完全降解。由苯酚降解曲线还可以看出,苯酚的降解主要发生在菌种的对数增长期,这主要是因为菌株在对数增长期时增值能力较强,对碳源的需求量大。培养120 h 后,碳源相对减少,随着营养物质的逐渐减少,菌体开始部分死亡,此阶段为菌株生长的衰亡期。菌种浓度下降的原因有3 个: 一是部分菌体因为粘结形成菌胶团而沉积在培养瓶底部; 二是菌种受到大量代谢废物的毒害而发生自溶现象,造成培养液中的菌体密度下降;三是培养基中营养物质减少,导致菌种的生长速率逐渐下降甚至为0,死亡数渐增,菌种进入衰亡期。 2.4 菌种降解动力学研究
实验所测定的菌株生长Monod 方程拟合曲线如图 5 所示。
图 5 低浓度下菌株生长动力学曲线 由图 5 可知,实验数据与模型预测吻合良好。当苯酚初始质量浓度<50 mg/L 时,菌种的比增长速率随着苯酚浓度的增加而增大,当苯酚初始质量浓度>50 mg/L 时,菌种的比增长速率有所下降,此时,苯酚对菌种的生长产生了抑制作用。 拟合所得Monod 方程动力学参数:μmax=0.438 h-1, KS=27.206 mg/L。所得Monod 方程为μ= 0.438 S/(27.206+S) 。 2.4.2 高浓度苯酚菌株生长动力学
实验所测定的菌株生长Haldane 方程拟合曲线如图 6 所示。
图 6 高浓度下菌株生长动力学曲线 从图 6 可以看出,实验数据与模型预测吻合良好。当苯酚初始质量浓度>50 mg/L 时,随着苯酚浓度的增加,菌种的比增长速率逐渐下降,这是因为当苯酚浓度较高时,底物抑制作用成为主导作用,菌株的生长速率受到抑制。 拟合所得Haldane 方程动力学参数: μmax = 0.398 h-1,KS=9.70 mg/L,Ki=263.96 mg/L。所得Haldane 方程为μ= 0.398S/(9.7+S+ S2/263.96)。。 3 结论 (2)该菌株的最佳降解条件:pH 为8.0,温度为 30 ℃,菌种量为5%;菌种的降解性能受初始苯酚浓度的影响,并随着苯酚浓度的升高而降低。 (3)研究发现,高浓度苯酚会对菌种的生长产生抑制作用。低浓度苯酚条件下菌种生长动力学方程符合Monod 方程; 高浓度苯酚条件下菌种生长动力学方程符合Haldane 方程。 |