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生物脱色菌对染料废水脱色的探讨
中国纺织网
2008/10/7
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    姜煒１，吳贊敏２，呂彤２，翁亮２（１﹒天津醫科大學基礎醫學院化學系，天津 ３００１７０﹔２﹒天津工業大學材料化工學院，天津 ３００１６０）作者簡介﹕姜煒（１９６３－），女，遼宁沈陽人，副教授，碩士，長期從事精細化工產品開發研究﹒



    摘要﹕研究了微生物在染料廢水脫色中的應用﹒從印染厂排污口的沉積物及處理廢水的活性污泥中分离出多株菌种，通過馴化篩選出 ３ 株對染料有脫色作用的菌株，并探討了各种因素對染料化合物脫色行為的影響﹒研究表明﹕培育菌种溫度對 Ｂ 菌种為 ３０℃，Ｆ 菌种為 ３５ ℃，ｐＨ 值為 ７，葡萄糖的濃度為 １５ ｇ／Ｌ 時微生物對染料的脫色效果較好﹒對酸性紅 Ｂ 的脫色間﹕Ｆ 菌种在 ２３ ｈ，Ｂ 菌种在 ３０ ｈ﹒

    關鍵詞﹕微生物﹔印染廢水﹔脫色﹔生物降解

    印染廢水中的大部分有机物是可以生物降解的，即使是苯環結构的有机物也能被諾卡氏菌、環形小球菌分解﹒微生物對降解或轉化外來化合物具有巨大的潛力，几乎所有的有机物都能找到使之降解或轉化的微生物﹒生物化學處理廢水具有運轉費用低、處理效果好、操作簡單等优點，受到人們的重視﹒隨著生物工程技術的發展，微生物在印染廢水的生化處理中將會有更廣闊的應用前景﹒本試驗從活性污泥中篩選出高效的脫色菌种，并對其脫色和降解能力進行了表征﹒

    １ 試驗

    １﹒１ 材料及儀器

    印染厂廢水池污泥﹔活性艷橙 Ｋ－ ７Ｒ、酸性紅 Ｂ、活性綠 ＫＥ－ ４Ｂ、酸性藍 ＢＲ﹔無水葡萄糖（天津市佳興化工儀器工貿有限公司），ＮａＨ２ＰＯ４.２Ｈ２Ｏ（天津市化學試劑六厂），（ＮＨ４）２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４.７Ｈ２Ｏ（天津市化學試劑三厂），Ｋ２ＨＰＯ４（天津福辰化學試劑厂），ＣａＣｌ２（天津市天達淨化材料精細化工厂），均為分析純﹔瓊脂（中國醫藥上海化學試劑公司）﹔蛋白　（天津市光复精細化工研究所）﹒

    富集培養基﹕牛肉膏３ｇ，葡萄糖２０ｇ，ＮａＣｌ５ｇ，水１０００ｍＬ﹔平板培養基﹕牛肉膏３ｇ，葡萄糖 ｘｇ，ＮａＣｌ ５ ｇ，蛋白胨５ ｇ，瓊脂 １５ｇ，水 １０００ ｍＬ﹔液体無机培養基﹕ＮａＨ２ＰＯ４.２Ｈ２Ｏ  ０﹒５ｇ，ＭｇＳＯ４.７Ｈ２Ｏ  ０﹒２ｇ，Ｋ２ＨＰＯ４ ０﹒５ｇ，硫酸銨 ２ｇ，ＣａＣｌ２  ０﹒１ｇ，水 １ ０００ｍＬ﹒

    儀器﹕ＬＲＨ－ １５０ 型生化培養箱（上海益恒實驗儀器有限公司）﹔ＵＶ－ ４０１ＰＣ 型紫外分光光度計（日本島津）﹔ＬＧ１０－ ２﹒４Ａ 型高速台式离心机（北京醫用离心机厂）﹔ＬＤ 型電子天平（沈陽龍騰電子有限公司）﹔ＨＹＧ－ Ａ 型全溫搖瓶柜（太倉市實驗設備厂）﹔ＸＳＰ－ １６Ａ 型顯微鏡（南京精細儀器厂）﹔蒸汽滅菌器（上海三申醫療器械有限公司）﹔７２２１ 型分光光度計（上海第三分析儀器厂）﹒

    １﹒２ 用液体無机培養基對菌株進行培養

    用接种環以無菌操作從平板培養基中挑取少量菌体后送入裝有液体無机培養基的錐形瓶中，使菌体分散于液体中﹒把錐形瓶放入全溫搖瓶柜中培養，培養溫度 ３７ ℃，轉速 １５０ ｒ／ｍｉｎ，制備菌懸液，并在不同時間觀測，記錄細菌的生長情況，然后再放入富集培養基對菌种進行培養﹒

    １﹒３ 菌种的馴化与篩選

    活性污泥的純种分离﹕首先用１０倍稀釋法制備菌懸液，然后用平板划線分离，對分离出的單株菌落進行脫色試驗，篩選出對染料具有較好脫色作用的菌株﹒

    菌种的馴化﹕液体無机培養基中加入質量濃度依次增加的系列染料對菌种進行馴化，先以低質量濃度的染料培養基對菌种進行培養，逐漸使微生物對染料有适應能力，增強其對染料的脫色能力﹒

    脫色試驗﹕通過試驗對比不同菌株對酸性紅 Ｂ 和酸性藍 ＢＲ 的脫色能力﹒試驗條件﹕葡萄糖質量濃度為２０ ｇ／Ｌ，分別裝入 １５０ ｍＬ 錐形瓶中，高溫滅菌﹒接入菌懸液各 １ ｍＬ，培養溫度 ３７ ℃，放入轉速 １５０ ｒ／ｍｉｎ 的全溫搖瓶柜，４８ ｈ 后加入染料酸性紅 Ｂ、酸性藍 ＢＲ，染

料質量濃度 ２０ ｍｇ／Ｌ﹒在不同時間用紫外分光光度計在最大吸收波長處測其吸光度，計算脫色率﹒

    １﹒４ 脫色檢驗

    將一定量的菌种接种于染料液体無机培養基中，放入全溫搖瓶柜中振蕩培養一定時間進行脫色，溫度和轉速同 １﹒２，在不同時間間隔取樣，用高速离心机分离，轉數為 ８ ０００ ｒ／ｍｉｎ，取上層清液，測出在最大吸收波長處的吸光度 Ａｂｓ 值，以脫色率表示菌株對染料的脫色能力﹕

    脫色率＝(Ａ－Ｂ)/Ａ ×１００％

    式中﹕ Ａ 為脫色前染料在最大吸收波長處的 Ａｂｓ 值﹔Ｂ為脫色后染料溶液在最大吸收波長處的 Ａｂｓ 值﹒

    ２ 結果与討論

    ２﹒１ 菌种的分离与篩選

    ２﹒１﹒１ 菌种的馴化与篩選

    在液体無机培養基中加入染料紅 Ｂ，使其質量濃度分別為 １０、２０ 、４０ 、６０ 、８０ 、１００ ｍｇ／Ｌ，依次增加用量對菌种進行馴化， 最終馴化出對染料具有脫色效果的 ３种菌，分別命名為 Ｂ、Ｆ、Ｗ﹒

    用不同菌株（Ｂ、Ｆ、Ｗ）對酸性紅 Ｂ 和酸性藍 ＢＲ 進行脫色試驗﹒結果表明﹕３ 种菌對染料化合物的脫色能力不同，Ｗ 菌對 ２ 种染料的脫色能力低于 Ｂ、Ｆ 菌﹒因此，采用 Ｂ、Ｆ 菌作為試驗菌种﹒

    ２﹒１﹒２ 用富集培養基對菌株進行培養

    試驗結果表明，接种少量的 Ｂ、Ｆ、Ｗ 菌体后，３ 种菌的生長曲線隨著時間的延長都呈上升趨勢，特別是Ｂ 菌在 ２４ ｈ 左右達到一個峰值﹒實踐証明﹕菌株的 ＯＤ值（培養液混濁度）過大反而不利于觀察染料脫色試驗現象，綜合考慮各項因素后選擇在菌株培養約 ２４ ｈ后將其接出，用于對染料進行脫色﹒

    ２﹒２ 外加碳源（葡萄糖）及其質量濃度對染料脫色的影響

    由圖１可知，添加葡萄糖的脫色效果优于不外加碳源的﹒雖然染料也是一种碳源，但只是一种不易被微生物利用的碳源.外加葡萄糖碳源可以加速微生物的生長，增加細菌對染料的吸附和脫色能力.此外,外加碳源可以促進細菌脫色能力的再生，增加菌体對染料廢水的處理次數,提高染料的脫色降解速率[１，２]. 

      

    試驗結果表明﹕在微生物的生長過程中，代謝所需的碳源量是一定的，即當染料与葡萄糖同為外加碳源時，葡萄糖比染料更易被微生物利用﹒葡萄糖質量濃度為１０-２０ｇ／Ｌ時，Ｂ菌對酸性藍 ＢＲ和酸性紅Ｂ的脫色率在較短的時間內可達到９５％以上，染料与葡萄糖均能被微生物所利用，同時作為微生物生長的碳源﹔當葡萄糖質量濃度增大至３０-４０ｇ／Ｌ時，微生物的生長主要依靠葡萄糖而對染料沒有產生代謝作用﹒此時，染料不能通過微生物的降解作用達到脫色效果，而僅是吸附在細菌表面，通過离心去除而達到脫色的效果﹒因此，葡萄糖質量濃度采用 １０-２０ ｇ／Ｌ﹒

    ２﹒３ 溫度

    在質量濃度為 １５ ｇ／Ｌ 的葡萄糖液体無机培養基溶液中加入染料（質量濃度４０ｍｇ／Ｌ，下同），然后加入已純化的 Ｂ 菌和 Ｆ 菌，分別置于 ２５、３０、３５、４０ ℃，１５０ｒ／ｍｉｎ 全溫搖瓶柜中脫色 ４０ ｈ﹒

     

    如圖２、圖３所示，Ｂ 菌在 ３０ ℃時對染料的脫色率約為 ９５％，４０ ℃時下降到７９﹒５９％﹒而 Ｆ 菌脫色的最佳溫度是３５ ℃，超過該溫度脫色率也會下降﹒表明溫度的升高會使酶的活性降低、染料的脫色率下降，溫度

過高（超過細菌所能适應的溫度），菌的酶系統被破坏，導致該菌活性下降甚至死亡，脫色能力下降﹒在 ２５ ℃時，菌株的脫色率僅為 ６﹒３６％，其原因是溫度過低，不利于菌的生長，酶的活性太低不利于染料脫色﹒Ｂ 菌和Ｆ菌的适宜生長溫度分別是３０℃和３５℃﹒

    ２﹒４ 時間

     

    時間對脫色率的影響如圖４、圖５所示﹒在３５℃條件下，Ｆ菌在０-２０ ｈ內對染料化合物的脫色率呈直線上升趨勢，脫色時間少于２０ｈ，微生物對染料的脫色速率較大，２０ｈ 后脫色曲線趨于平緩， Ｆ菌脫色時間選擇２３ｈ﹔Ｂ菌對染料的脫色速率開始時很快，３０ｈ后增長變緩， Ｂ菌脫色時間選擇 ３０ｈ﹒其原因是微生物的生長分為４個生長階段，分別為适應階段、對數生長階段、平衡階段及內源代謝階段﹒适應階段即微生物對新環境的适應時期，期間微生物的個体逐漸增大而數目不變，待适應環境后，微生物迅速繁殖﹔對數階段即底物供應量超過微生物對底物的需要量，微生物的生長不受底物限制，只受自身生理机能的影響﹔平衡階段即底物量減少，微生物的有毒代謝物積累，生長率相對對數生長階段而言呈下降趨勢﹒此時，微生物生長速率主要不是受自身生理机能的限制，而是受有毒代謝物的增加与底物量不足的限制[３，４]﹒ 

     Ｂ 菌在脫色初期對酸性紅 Ｂ 的降解效果优于活性綠 ＫＥ－４Ｂ和活性艷橙 Ｋ－７Ｒ，在脫色時間內只有酸性紅 Ｂ 完全降解，其他２种染料均有少量吸附于微生物表面﹒因為染料化合物的結构影響降解效果，酸性紅 Ｂ、活性艷橙 Ｋ－７Ｒ 為單偶氮類染料，但活性艷橙Ｋ－７Ｒ 的結构比酸性紅 Ｂ 的結构复雜，活性綠 ＫＥ－４Ｂ為雙偶氮染料，其分子結构比單偶氮染料更复雜，分子質量更大，所以更難降解[１，５]﹒

    ２﹒５ ｐＨ 值

    一般微生物對ｐＨ值的變化十分敏感，即适應范圍很窄﹔但也有微生物對 ｐＨ值的變化不靈敏，适應范圍較寬﹒ｐＨ值的變化能夠引起　构象的改變，影響微生物的生長与代謝等，最終影響其對染料的降解和脫色效果﹒環境ｐＨ值過高或過低都會對微生物的生長造成不利的影響[６]﹒一般微生物要求環境的ｐＨ值為５-９，最寬的范圍為４-１０，而最适宜的ｐＨ值較窄（６﹒５-７﹒５）[７]﹒

    采用 １ ｍｏｌ／Ｌ 的 ＨＣｌ 或者 ＮａＯＨ 溶液調節培養基的 ｐＨ 值，高溫滅菌后接种菌 Ｂ、Ｆ 各 １ ｍＬ，分別放入恒溫水浴（３０ ℃和 ３５ ℃）搖床中（１５０ ｒ／ｍｉｎ）培養，脫色，于不同時間下測量菌液的 ＯＤ 值﹒結果如圖６和圖７所示﹒

     

    從圖６、圖７可以看出，ｐＨ 在 ３-４ 時脫色菌的生長情況不是很好，其 ＯＤ 值很低﹒但大于 ４ 時 ＯＤ 值有所回升，ｐＨ 在 ６￣８ 時 ＯＤ 值到達了最大值，超過此范圍后 ＯＤ 值開始下降﹒另外，在生長前期，ｐＨ 值對微生物的 ＯＤ值影響不明顯，隨著培養時間的延長，ｐＨ值對微生物的影響越來越顯著，在不同ｐＨ值范圍內的 ＯＤ值差异較大﹒

    本試驗中脫色菌最佳脫色的ｐＨ約為７﹒微生物在基質中生長，代謝作用改變了基質中氫离子質量濃度﹒隨著環境ｐＨ值的變化，微生物生長受阻，當超出最低或最高ｐＨ值時，微生物死亡﹒為了維持微生物生長過程中ｐＨ 值的穩定，配制培養基時要注意調節ｐＨ值，有時還要加入緩沖物以保証ｐＨ 在微生物生長繁殖過程中的相對穩定﹒

    ２﹒６ 紫外－可見光譜

     

    如圖８所示，降解前酸性紅Ｂ在 ５１５ ｎｍ 可見光區有一個強吸收峰，降解后，５１５ ｎｍ 處的吸收峰隨著降解時間的延長而逐漸減小，而在紫外波長范圍內的吸收峰卻逐漸增強﹒由此可以証明﹕酸性紅Ｂ被脫色菌降解，并且有新的降解物質（染料降解物）產生﹒

    研究結果表明﹕利用微生物　可以破坏染料的不飽和鍵及發色基團﹒微生物對染料脫色具有專一性，其降解過程分 ２ 階段完成﹕（１）染料分子的吸附和富集﹔（２）染料分子被氧化、還原、水解、化合后，最終降解成簡單無机物或轉化為各种營養物及原生質﹒印染廢水的微生物脫色，關鍵在于微生物菌源的選擇，使之适應不同的印染廢水水質﹒

    ３ 結論

    ３﹒１ 菌种的篩選、馴化按照現行普遍的方法從活性污泥体系中分离、純化，得到 Ｂ、Ｆ２株對染料有脫色作用的菌种﹒對酸性紅Ｂ、活性綠 ＫＥ－４Ｂ、活性艷橙 Ｋ－７Ｒ、酸性藍ＢＲ具有較好的脫色效果﹒

    ３﹒２ 培育菌株以染料為單一碳源時并不能表現出好的脫色效率，加入葡萄糖為輔助碳源，則表現出較強的去除染料的能力﹒

    ３﹒３ 脫色的最佳工藝條件﹕培育菌种溫度對Ｂ菌為３０℃，Ｆ菌為３５ ℃，ｐＨ 值為７，葡萄糖的質量濃度為１５ｇ／Ｌ時微生物對染料的脫色效果較好﹒對酸性紅Ｂ的脫色時間﹕Ｆ菌選擇 ２３ｈ、Ｂ菌選擇 ３０ｈ﹒

    ３﹒４ 從酸性紅Ｂ染料降解過程的紫外－ 可見光譜圖可以看出，染料的特征吸收峰逐漸減小并伴有新的降解產物的吸收峰出現﹒



    參考文獻﹕

  １李蒙英，倪建國，洪法水，等﹒真菌和細菌對染料的吸附脫色及再生能力的研究[Ｊ]﹒２００２，２２（６）﹕７７９－ ７８３﹒

  ２彭躍蓮，韓燕劭，李建中，等﹒生物技術在印染和染料廢水處理中的應用[Ｊ]﹒環境科學進展，１９９７，５（３）﹕５６－ ６４﹒

  ３李蒙英，孟祥勛﹒真菌對染料廢水脫色降解的研究進展[Ｊ]﹒環境污染治理技術与設備，２００２，３（１０）﹕１９－ ２２﹒

  ４陳 剛﹒定量結构与生物降解性能關系的應用与研究[Ｊ]﹒武漢理工大學學報（交通科學与工程版），２００７，２８（３）﹕４５９－ ４６２﹒

  ５楊家峰，王淑珍，楊英杰﹒印染廢水生物處理菌株的選育及降解效果[Ｊ]﹒２００２，３１（４）﹕６６－７０﹒

  ６英榮，周業亭，劉自平﹒染料脫色真菌的選育及其對合成染料的脫色作用[Ｊ]﹒２００４，２８（１）﹕６４－６８﹒

  ７蔣 姬，姜佩華﹒分散染料的生物降解性能[Ｊ]﹒東華大學學報（自然科學版），２００３，２９（６）﹕１１５－１１９

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