馬 杰，張學雷

（黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東濱州 256600）

基于Arrhenius方程外推預(yù)測降酚菌劑有效期

馬 杰，張學雷

（黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東濱州 256600）

基于Arrhenius方程設(shè)計實驗對自制降酚菌劑進行了有效期測定，以菌劑降酚速率為指標，設(shè)定最低降酚速率為300mg/（L?d）以下時菌劑失效，將菌劑在極端保存條件下測定了菌劑的保存時間。通過Arrhenius方程建立lnk與1/t的線性關(guān)系，從而外推室溫（25℃）下k的數(shù)值，代入一級動力學公式，從而得到菌劑在室溫下的有效期為13個月。該結(jié)果與長期穩(wěn)定實驗結(jié)論一致。

Arrhenius方程；降酚速率；一級動力學公式

Arrhenius方程是由瑞典物理化學家ArrheniusS.A.提出的，體現(xiàn)了化學反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系[1-3]，常用于藥品等保存期限的測定。林進等采用揮發(fā)性鹽基氮變化速率常數(shù)（k）與貯藏溫度（T）之間的 Arrhenius 方程，得到真空包裝的即食南美白對蝦在20℃和25℃條件下保藏的理論貨架壽命分別為151.8d和96.5d[4]。高煒斌等以Arrhenius方程為理論基礎(chǔ)，對聚碳酸酯的貯存壽命進行了研究，并得到聚碳酸酯在成都地區(qū)大氣自然環(huán)境中的貯存壽命理論貯存壽命值，該值與其真實大氣自然環(huán)境貯存壽命值相近[5]。

本文基于Arrhenius方程和一級動力學公式，通過對自制降酚菌劑不同溫度下降酚速率的測定，從而外推出菌劑保存有效期。

1 實驗原理[6-9]

降酚菌劑的保存有效期與菌種、保存條件、苯酚降解速率有關(guān)，當菌種、保存條件一定的情況下，菌劑保存有效期僅與苯酚降解速率有關(guān)。而苯酚的降解速率與菌劑比生長速率呈現(xiàn)一致性。故當苯酚作為唯一碳源時，苯酚的降解速率可以根據(jù)Monod方程進行判斷。

根據(jù)Monod方程，細胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示，其中為比生長速率（h-1）；為最大比生長速率（h-1）；S為限制性基質(zhì)濃度（g/L）；Ks為飽和常數(shù)（g/L）。

而當?shù)孜餄舛容^小時，微生物生長受到營養(yǎng)物質(zhì)限制，處于靜止生長期，微生物增長速率和底物濃度成正比例。

故比生長速率與限制性基質(zhì)濃度成一級反應(yīng)，即苯酚降解速率與苯酚濃度呈一級反應(yīng)，即符合。

分離變量，積分得：

其中C0為每批的初始降酚速率，Ct為樣品保存t天后該批的降酚速率，t為保存時間，k為苯酚降解速率。

（1）式可改寫為

參照反應(yīng)方程，保存溫度對降酚菌劑降酚速率的影響應(yīng)遵循阿倫尼烏斯為程：

其中k為苯酚降解速率，T為絕對溫度，A、B為兩個經(jīng)驗常數(shù)。

從（3）式可以看出，苯酚降解速率的對數(shù)lnk與絕對溫度的倒數(shù)1/T呈線性關(guān)系。根據(jù)（2）式測定出不同溫度對應(yīng)的k值，在根據(jù)（3）式作lnk～1/T，即可求出（3）式中A、B值，然后反過來根據(jù)（3）式計算出室溫（25℃）下的k值，由該k值代入（1）式則得出室溫下菌劑保存的有效時間。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

實驗菌劑：自制降酚菌劑。

實驗儀器：KBF115 恒溫恒濕箱、搖床、分析天平、250mL三角瓶、100mL量筒。

降酚速率評價培養(yǎng)基：NH4NO31.0 g/L，K2HPO40.5 g/L，KH2PO40.5 g/L，CaCl20.1 g/L，NaCl 0.2 g/L，MgSO40.1 g/L，MnSO40.01 g/L，F(xiàn)eSO40.01 g/L，苯酚800mg/L。

2.2 實驗方法

2.2.1 一級反應(yīng)驗證實驗

取存放于25℃室溫下的降酚菌劑，配制200～600mg/L不同初始苯酚濃度降酚速率評價培養(yǎng)基，并按照1∶100接入活化好的降酚菌劑，每1h測定一次揮發(fā)酚濃度，直至降解至初始揮發(fā)酚濃度的一半，得到t1/2。同時做三組平行，取平均值計算。

2.2.2 初始降酚量C0的檢測

實驗初期需檢測菌劑的最大初始降酚量C0，設(shè)定揮發(fā)酚濃度為1 300mg/L，1 200mg/L，1 100mg/L，900mg/L，700mg/ L的五個梯度降酚速率評價培養(yǎng)基，分別編號1、2、3、4、5，每個濃度下做三個平行實驗。將活化好的菌劑按照1∶100的量接入，每24h測定溶液剩余揮發(fā)酚濃度。

2.2.3 保存期限的測定

設(shè)定菌劑降解苯酚在保存第t天后其降酚速率為300mg/（L?d），當降酚速率小于300mg/（L?d）時菌劑失效。

由于絕大多數(shù)微生物對高溫耐受程度低，高于60℃時大多數(shù)死亡。而保存溫度過低導致實驗時間過長，不利于評價。故設(shè)定實驗溫度為60℃、55℃、50℃。

取保存固定好的降酚菌粉10g，存放于溫度為（60±1）℃的恒溫恒濕箱內(nèi)24h。取恒溫恒濕箱內(nèi)菌劑按照1∶100的量接入含酚量為600mg/L的降酚速率評價培養(yǎng)基，并做三組平行實驗，搖床28℃，170r/min下培養(yǎng)1d，測定培養(yǎng)后剩余揮發(fā)酚濃度；按照上述方法分別檢測恒溫箱內(nèi)保存48～144h的菌劑在24h內(nèi)的降酚速率，并記錄。

按照上述方法分別測定（50±1）℃、（55±1）℃下的保存天數(shù)。

2.2.4 菌劑保存穩(wěn)定性實驗

取存放于室溫（25℃）條件下不同批次的降酚菌劑10g，每1個月將活化好的菌劑按照1∶100的量接入含酚量為600mg/L的降酚速率評價培養(yǎng)基，搖床28℃，170r/min下培養(yǎng)1d，測定培養(yǎng)后剩余揮發(fā)酚濃度。后期每半個月測定一次。

3 實驗結(jié)論

3.1 一級反應(yīng)驗證實驗

表1 25℃下初始揮發(fā)酚濃度與t1/2關(guān)系表

由表1知，t1/2與初始的揮發(fā)酚濃度無關(guān)系，符合一級反應(yīng)半衰期與反應(yīng)物濃度無關(guān)的特征，故該反應(yīng)為一級反應(yīng)。

3.2 初始降酚量C0的檢測

由圖1可知菌劑在常溫下初始降酚速率在1 200mg/L，高于1 200mg/L菌劑在24h內(nèi)不能有效的降解苯酚，而低于1 200mg/L菌劑在24h內(nèi)均能降解完全，故C0為1 200mg/L；

圖1 初始降酚量C0的測定圖

3.3 保存天數(shù)t的測定

由表2可以明顯的得出菌劑在分別在60℃下保存有效期t為8d，55℃下保存有效期t為15d，50℃下保存有效期t為22d。

表2 不同溫度下降酚速率與時間關(guān)系表

根據(jù)以上結(jié)論，將以測得的Ct以及t代入公式K=（1/t）× ln（C0/Ct）計算出不同溫度下的k值，如表3：

表3 lnK與1/T的計算

根據(jù)以上數(shù)據(jù)表中的lnk對1/T作圖可知lnk=-10 876/T+ 30.85（R2=0.9782），符合Arrhenius方程lnk=A+B/T，代入T= 298K，從而得出k25℃的值為0.003 529。將該值代入式（2），得出t為393d，約為13個月。

3.4 菌劑保存穩(wěn)定性實驗

根據(jù)長期穩(wěn)定實驗結(jié)論可知該降酚菌劑有效期為13個月（見圖2），與加速實驗法結(jié)論一致。

圖2 長期穩(wěn)定實驗降酚速率曲線

4 討論

傳統(tǒng)的室溫留樣觀察法雖然客觀反應(yīng)實際情況但需要時間太長，該方法基于Arrhenius方程，在極端保存條件下快速、相對準確的測定了菌劑的室溫保存時間，可作為該菌劑有效期的測定使用。

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Arrhenius Equation Extrapolation of Phenol is Valid based on Agent

Ma Jie，Zhang Xue-lei

The phenol degrading bacteria on the determination of the validity of self-made experimental design based on Arrhenius equation，the microbial degradation rate as the index，set the minimum degradation rate was 300mg/（L-D）agent failure when the agents in the extreme conditions will be determined inoculum preservation time.The linear relationship between the establishment of lnK and 1/T by Arrhenius equation，push from outside the room temperature（25 DEG C）value of K，then a first-order formula，so as to obtain the effective agent at room temperature for 13 months.The results are consistent with the results of long-term stability experiments.

Arrhenius equation；phenol reduction rate；first order kinetic equation

X172

B

1003-6490（2017）01-0135-02

2017-01-21

馬杰（1983—），女，山東濱州人，工程師，主要研究方向為環(huán)境工程。