季瑞武，周　利，冉治霖，朱　佳

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

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LAS共代謝降解菌的降解動(dòng)力學(xué)研究

季瑞武1，周利1，冉治霖2，朱佳3

(1. 青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033；2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通運(yùn)輸與環(huán)境學(xué)院，深圳 518172；3. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)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(dòng)力學(xué).分別對(duì)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(jìn)行研究，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)考察了其最佳降解條件，并進(jìn)行降解動(dòng)力學(xué)研究.當(dāng)溫度為30 ℃，pH值為7.5，裝液量為50 mL時(shí)，最適合兩株細(xì)菌降解LAS.其中菌株L-2在生長(zhǎng)基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí)，對(duì)50 mg/LLAS降解率為94.2%；菌株L-15在生長(zhǎng)基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時(shí)，對(duì)50 mg/LLAS降解率為92.2%；當(dāng)LAS質(zhì)量濃度在25～100 mg/L范圍內(nèi)，2菌株降解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)

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(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[1-2].研究發(fā)現(xiàn)，好氧條件下LAS易生物降解，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)降解時(shí)間后，仍然有20%～50%的殘留[3].廢水中的LAS會(huì)給環(huán)境帶來(lái)巨大危害，它能夠影響酶的活性，溶解微生物和無(wú)脊椎動(dòng)物的生物膜，破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，危害動(dòng)、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(diǎn).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(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用廣泛，是研究最多的一種方法[8-9].

本實(shí)驗(yàn)利用已經(jīng)分離鑒定的2株細(xì)菌[10]，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，確定其最佳降解條件，并對(duì)不同質(zhì)量濃度下的LAS降解進(jìn)行了研究，分析了降解動(dòng)力學(xué)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(lái)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(guò)共代謝機(jī)制降解LAS的細(xì)菌，經(jīng)過(guò)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(wú)機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)(MIKRO 200R，德國(guó)Hettich)、熒光分光光度計(jì)(F-7000, 日本日立)、紫外分光光度計(jì)(UV-7504，上海欣茂儀器有限公司)、電子天平(BS-124S，德國(guó)賽多利斯)、恒溫培養(yǎng)箱(MIR-254，日本三洋).

1.4實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1LAS降解性能的影響因素實(shí)驗(yàn)

以無(wú)機(jī)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(cè)殘留LAS質(zhì)量濃度，計(jì)算菌株對(duì)LAS降解率.

1.4.2菌株降解動(dòng)力學(xué)

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

1.4.3LAS質(zhì)量濃度測(cè)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(zhǎng)λex=230 nm，發(fā)射波長(zhǎng)λem=290 nm處，測(cè)得熒光強(qiáng)度F，根據(jù)F值由標(biāo)準(zhǔn)曲線求得LAS質(zhì)量濃度，計(jì)算LAS降解率.降解率計(jì)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(shí)間后培養(yǎng)基中LAS質(zhì)量濃度；C2為試驗(yàn)組培養(yǎng)一段時(shí)間后培養(yǎng)液中LAS質(zhì)量濃度；C1為初始培養(yǎng)時(shí)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(shí)驗(yàn)

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

正交試驗(yàn)分析表2,3反映了細(xì)菌L-2與L-15在各因素水平下120 h后對(duì)LAS的降解率.

表1　正交試驗(yàn)各因素及其水平表

表2　L-2正交試驗(yàn)分析表

表3　L-15正交試驗(yàn)分析表

對(duì)于因素A，1、2、3號(hào)試驗(yàn)反映了A1對(duì)試驗(yàn)影響，4、5、6號(hào)試驗(yàn)反映了A2的影響，7、8、9號(hào)試驗(yàn)反映了A3的影響.A1、A2、A3對(duì)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(zhǎng)-2細(xì)菌降解優(yōu)水平，B3、C1、D3為L(zhǎng)-15細(xì)菌降解優(yōu)水平.對(duì)于L-2細(xì)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(duì)于L-15細(xì)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(duì)降解率影響主次，對(duì)于L-2與L-15，R1>R4>R2>R3，所以溫度對(duì)兩株細(xì)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(duì)降解率的影響最小.

2.2菌株共代謝降解動(dòng)力學(xué)研究

對(duì)初始質(zhì)量濃度為25、50、100 mg/L的LAS廢水進(jìn)行降解試驗(yàn)，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(guò)程

圖2　優(yōu)化條件下L-15降解不同質(zhì)量濃度LAS過(guò)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(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，一般反應(yīng)過(guò)程可表示為：

V=VmC/(k+C)

(2)

其中:V為反應(yīng)速率，t-1；Vm為最大反應(yīng)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(dāng)降解反應(yīng)遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，C?k時(shí)，方程(2)可以寫為：

V=VmC/k

(3)

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

C=C0e-k0t

(4)

表4　L-2降解動(dòng)力學(xué)方程

表5　L-15降解動(dòng)力學(xué)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(shí)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(duì)于菌株L-2，隨著LAS初始質(zhì)量濃度的升高，反應(yīng)速率常數(shù)k0先升高后降低，當(dāng)LAS初始質(zhì)量濃度高于50 mg/L時(shí)，由于LAS的毒性作用，細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖會(huì)受到抑制，代謝活動(dòng)減慢，因此降解速率下降，屬于典型的抑制動(dòng)力學(xué).

3　結(jié)　論

1)正交實(shí)驗(yàn)表明細(xì)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(xì)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(zhǎng)基質(zhì)的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，在最適降解條件下，細(xì)菌L-2在120 h后對(duì)50 mg/L的LAS降解率為94.2%，細(xì)菌L-15在120 h后對(duì)50 mg/L的LAS降解率為92.2%.

3)當(dāng)LAS質(zhì)量濃度小于100 mg/L時(shí)，細(xì)菌L-2與L-15降解LAS反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，LAS質(zhì)量濃度較低時(shí)，反應(yīng)速率常數(shù)較大，質(zhì)量濃度較大時(shí)，由于LAS的毒害用，細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖受到抑制，降解反應(yīng)速率降低.

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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(jì)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