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        Desulfovibrio desulfuricans G20生理特性及處理含鉻(Ⅵ)硫酸鹽廢水的研究

        2018-06-12 05:52:00張雪英沈蔚然
        生物加工過程 2018年3期
        關(guān)鍵詞:硫酸鹽菌體生長(zhǎng)量

        李 想,張雪英,王 婷,沈蔚然,姜 添,周 俊

        (1.南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 211800; 2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

        硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria,SRB)是一類以有機(jī)物為電子供體,以硫酸鹽、亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽等以及元素硫?yàn)殡娮邮荏w,通過異化作用將其還原為硫化物的細(xì)菌[1]。SRB廣泛存在于自然界,在海水、土壤、生活生產(chǎn)、工業(yè)廢水、海水及河水底泥中均有分布,由于SRB普遍存在于厭氧環(huán)境中,它們?cè)诹蚝吞佳h(huán)中起重要作用。但是,SRB會(huì)對(duì)海洋石油等工業(yè)造成嚴(yán)重影響,因?yàn)榇x過程中產(chǎn)生硫化物,具有高度反應(yīng)性、腐蝕性和毒性。由此可見,SRB可以去除廢水中的硫酸鹽及重金屬,在一定程度上可以修復(fù)環(huán)境。盡管對(duì)于SRB的研究已經(jīng)超過一個(gè)世紀(jì),但是隨著分子生物學(xué)和基因組技術(shù)的不斷進(jìn)步,對(duì)SRB的生活方式的詳細(xì)解析成為可能[2]。SRB的代謝過程可以簡(jiǎn)單地分為分解階段、電子傳遞階段和氧化階段這3個(gè)階段[3]。圖1表明描述這一過程的分解代謝、電子傳遞和SRB的關(guān)系。

        圖1 SRB 的分解代謝過程Fig.1 Metabolic degrading process of SRB

        筆者前期通過從南京某污水處理廠濃縮污泥中馴化混合硫酸鹽還原菌,探究其對(duì)硫酸鹽廢水的處理效果[11],在本文中,完全模擬此污水處理廠廢水性質(zhì),選取一株純種硫酸鹽還原菌D.desulfuricansG20為研究對(duì)象,考察其在不同條件下的生長(zhǎng)狀況,再研究它對(duì)Cr6+的耐受濃度及處理含鉻(Ⅵ)硫酸鹽廢水的效果,為將來(lái)D.desulfuricansG20的工業(yè)應(yīng)用建立基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 菌株

        D.desulfuricansG20菌株由中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所提供。

        1.1.2 培養(yǎng)基

        D.desulfuricansG20采用培養(yǎng)基為Postgate C[12],其成分為KH2PO40.5 g/L、NH4Cl 1.0 g/L、CaCl2·2H2O 0.06 g/L、Na2SO40.5 g/L、MgSO4·7H2O 2.0 g/L、酵母膏1.0 g/L、檸檬酸鈉0.3 g/L、60%乳酸鈉6 mL/L。

        還原劑:配制0.25 g/L L-半胱氨酸溶液,用N2吹5 min,加蓋密封,滅菌,冷卻。培養(yǎng)基中加入1%的上述半胱氨酸溶液(注:一般用100 mL厭氧瓶配制50 mL,4 ℃下保存)。

        氧氣指示劑:配制1%刃天青水溶液。

        1.2 D.desulfuricans G20的富集培養(yǎng)

        在潔凈工作臺(tái)中,用無(wú)菌注射器按照10%的接種量將D.desulfuricansG20注入上述制作好的培養(yǎng)基中,置于恒溫培養(yǎng)箱中,在37 ℃、100 r/min的條件下進(jìn)行恒溫振蕩培養(yǎng)。待菌液由澄清透明變?yōu)闇啙?,即表明此富集的D.desulfuricansG20濃度較高。

        1.3 D.desulfuricans G20的生長(zhǎng)曲線

        采用18 mm×150 mm的玻璃厭氧管,分裝Postgate C培養(yǎng)基4.45 mL,加入0.05 mL 0.25 g/L L-半胱氨酸溶液,充入N2,密封,滅菌。在潔凈工作臺(tái)上接種0.5 mL的菌液,置于37 ℃、100 r/min的搖床中,振蕩培養(yǎng)20 h。不定時(shí)用紫外-可見分光光度計(jì)以培養(yǎng)基為參比,測(cè)定菌體生長(zhǎng)情況,通過OD600測(cè)量細(xì)菌培養(yǎng)液的濃度。每組做3個(gè)平行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

        1.4 菌株生理生化性質(zhì)

        1.4.1 溫度對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

        設(shè)定22、27、32、37、42和47 ℃的溫度梯度培養(yǎng)20 h,通過OD600測(cè)量細(xì)菌培養(yǎng)液的濃度。

        1.4.2 pH對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

        設(shè)定pH為4.2、5.2、6.2、7.2、8.2、9.2和10.2的梯度,通過OD600測(cè)算細(xì)菌培養(yǎng)液的濃度。

        1.4.3 碳源對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

        以甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、丙三醇、蔗糖、葡萄糖、乳酸鈉和乙酸鈉為碳源培養(yǎng)D.desulfuricansG20,不定時(shí)通過 OD600測(cè)量細(xì)菌培養(yǎng)液的濃度。

        1.4.4 硫源對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

        以硫、MgSO4、Na2SO4、亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉為硫源培養(yǎng)D.desulfuricansG20,不定時(shí)通過 OD600測(cè)量細(xì)菌培養(yǎng)液的濃度。

        1.5 D.desulfuricans G20對(duì)含Cr6+的硫酸鹽廢水的研究

        1.5.1D.desulfuricansG20對(duì)Cr6+的耐受度

        玻璃厭氧管分裝Postgate C培養(yǎng)基后分別加入K2Cr2O7無(wú)菌溶液,使之與培養(yǎng)基混合后的Cr6+質(zhì)量濃度分別為25、50、75、100、125、150、175和200 mg/L。每隔12 h觀察菌體生長(zhǎng)狀況,觀察持續(xù)3 d。同時(shí),每隔4 h測(cè)定試驗(yàn)中菌液生長(zhǎng)OD600值,持續(xù)測(cè)定24 h。

        1.5.2D.desulfuricansG20處理不同濃度含Cr6+廢水的效果

        2 結(jié)果與討論

        2.1 D.desulfuricans G20的生長(zhǎng)曲線

        通過對(duì)D.desulfuricansG20進(jìn)行40 h的監(jiān)測(cè),不定期測(cè)量其OD600,繪制該菌生長(zhǎng)曲線,結(jié)果見圖2。由圖2可以看出,D.desulfuricansG20菌株在前2 h處于生長(zhǎng)延滯期,2~18 h 菌株進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,18~26.5 h 進(jìn)入穩(wěn)定期,期間菌密度 OD600達(dá)到最大值(0.697),26.5 h后開始進(jìn)入衰亡期。為保證菌株活躍度及均量一致,一般接種18~26.5 h的菌株進(jìn)行試驗(yàn)。

        圖2 D.desulfuricans G20在postgate C培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)曲線Fig.2 Growth curves of D.desulfuricans G20 in postgate C medium

        2.2 菌株生理生化性質(zhì)

        2.2.1 溫度對(duì)D.desulfuricansG20生長(zhǎng)的影響

        圖3 不同溫度下D.desulfuricans G20生長(zhǎng)量Fig.3 Biomass of D.desulfuricans G20 at different temperatures

        溫度的變化會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)、代謝和繁殖。適宜的溫度能刺激微生物的生長(zhǎng);當(dāng)溫度過高時(shí),微生物的蛋白質(zhì)和核酸會(huì)變性失活;當(dāng)溫度過低時(shí),會(huì)抑制酶活性,減弱細(xì)胞新陳代謝[13]。設(shè)置溫度梯度為22、27、32、37、42和47 ℃,考察溫度對(duì)D.desulfuricansG20的生長(zhǎng)的影響,結(jié)果見圖3。由圖3可以看出,D.desulfuricansG20菌株在不同的溫度條件下,生長(zhǎng)狀況不同。在32~42 ℃時(shí),D.desulfuricansG20均生長(zhǎng)良好,最佳生長(zhǎng)溫度為37 ℃,培養(yǎng)17 h時(shí)生長(zhǎng)量達(dá)到最高OD600(0.741)。在14 h內(nèi),42 ℃下菌株生長(zhǎng)速度高于32 ℃,之后32 ℃下菌株生長(zhǎng)速度高于42 ℃的菌株生長(zhǎng)速度,其在20 h時(shí)分別達(dá)到最高OD600,32 ℃為0.740,42 ℃為0.581。22、27 ℃時(shí)可生長(zhǎng),但生長(zhǎng)緩慢。47 ℃時(shí)菌株基本不生長(zhǎng)。廢水研究的純種菌體系中,硫酸鹽還原菌的最佳生長(zhǎng)溫度大多在30 ℃左右,但混合菌群體系的實(shí)際應(yīng)用中,硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)速度還取決于菌群中的競(jìng)爭(zhēng)因素[14]。

        2.2.2 初始pH對(duì)D.desulfuricansG20生長(zhǎng)的影響

        設(shè)置不同初始pH分別為4.2、5.2、6.2、7.2、8.2、9.2和10.2,考察其對(duì)D.desulfuricansG20生長(zhǎng)的影響,如圖4所示。由圖4可以看出,在初始pH為6.2~9.2時(shí),菌株生長(zhǎng)狀況良好。硫酸鹽還原菌可容忍的pH最大范圍在4.0~9.5[15]。當(dāng)pH超出菌株忍受濃度,會(huì)通過降低SRB酶活性抑制菌株生長(zhǎng)和代謝[16]。菌株在初始pH值為8.2時(shí),生長(zhǎng)速度最快,10 h進(jìn)入穩(wěn)定期,最高OD600值達(dá)到0.661。隨著初始pH的升高,菌株生長(zhǎng)速度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在初始pH為7.2和9.2時(shí),菌株的生長(zhǎng)量及生長(zhǎng)速度差不多。當(dāng)初始pH達(dá)到10.2時(shí),菌株生長(zhǎng)速度明顯減慢,20 h時(shí)達(dá)到最高OD600,為0.333。初始pH為6.2時(shí),生長(zhǎng)速度比初始pH為7.2時(shí)稍慢,到20 h時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定期,并達(dá)到最高OD600,為0.627。但是在初始pH下降到5.2及以下時(shí),菌株基本不生長(zhǎng)。因此,可認(rèn)為D.desulfuricansG20生長(zhǎng)的最佳初始pH為8.2。當(dāng)初始pH偏酸性時(shí),體系中較多的游離硫化氫含量會(huì)對(duì)D.desulfuricansG20生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用;當(dāng)pH偏堿性時(shí),體系中主要是以HS-狀態(tài)存在的硫化物,這些硫化物會(huì)和菌體細(xì)胞中的鐵物質(zhì)結(jié)合,從而使得電子傳遞失活[17]。因此,初始pH通過影響游離H2S在體系中的比重影響菌株的生長(zhǎng)活性。

        圖5 D.desulfuricans G20利用不同碳源在不同時(shí)間的生長(zhǎng)量Fig.5 Biomass of D.desulfuricans G20 at different carbon source and time

        圖4 不同初始pH下D.desulfuricans G20的生長(zhǎng)量Fig.4 Biomass of D.desulfuricans G20 at different pH

        2.2.3D.desulfuricansG20對(duì)不同碳源的利用

        目前,有動(dòng)物糞便、木屑、肥料和一些其他農(nóng)林廢棄物等天然有機(jī)物和合成有機(jī)物如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸鈉等,可作為碳源以供硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)繁殖[18]。在富集培養(yǎng)基中,豐富且適宜的碳源可以給菌體提供氮源、維生素、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)菌體生長(zhǎng)。本文中,筆者選取甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、丙三醇、蔗糖、葡萄糖、乳酸鈉和乙酸鈉作為碳源,考察D.desulfuricansG20對(duì)其的利用情況。圖5為D.desulfuricansG20對(duì)不同碳源的利用及其24、36 h的生長(zhǎng)量。由圖5可以看出,D.desulfuricansG20對(duì)不同碳源的利用情況不同。當(dāng)碳源為乳酸鈉、蔗糖和乳糖時(shí),菌株生長(zhǎng)較快,菌液密度較高,其中,碳源為乳酸鈉時(shí)菌株生長(zhǎng)最快,其次是葡萄糖及蔗糖,利用蔗糖的菌株后期生長(zhǎng)比葡萄糖快。在24 h時(shí),利用乳酸鈉的菌株OD600最高,達(dá)到0.698,其次是蔗糖和葡萄糖,分別為0.576和0.520。在36 h時(shí),利用蔗糖的菌株的生長(zhǎng)量OD600超過其他碳源,達(dá)到0.742。還可看出,D.desulfuricansG20均可利用以上碳源,利用甲酸、乙醇及乙酸鈉較慢。由此可得出,D.desulfuricansG20的最佳生長(zhǎng)碳源為乳酸鈉及蔗糖。

        2.2.4D.desulfuricansG20對(duì)不同硫源的利用

        考察D.desulfuricansG20對(duì)硫、MgSO4、Na2SO4、亞硫酸鈉和硫代硫酸鈉等的利用情況,結(jié)果見圖6。由圖6可以看出:D.desulfuricansG20以亞硫酸鈉為硫源時(shí),菌株生長(zhǎng)速度最快,10.5 h時(shí)菌株生長(zhǎng)量達(dá)到最高(0.637)。而在硫酸鎂、硫酸鈉和硫代硫酸鈉的培養(yǎng)基中,生長(zhǎng)狀況差不多。在以硫單質(zhì)為硫源的培養(yǎng)基中,菌株不生長(zhǎng),說(shuō)明D.desulfuricans不能利用硫單質(zhì)作為碳源,此現(xiàn)象與馬忠友等[19]研究結(jié)果相似。因此可見,D.desulfuricansG20最適硫源為亞硫酸鈉。

        圖6 D.desulfuricans G20利用不同硫源在不同時(shí)間的生長(zhǎng)量Fig.6 Biomass of D.desulfuricans G20 at different sulfur sources

        2.3 D.desulfuricans G20對(duì)含Cr6+的硫酸鹽廢水的研究

        2.3.1D.desulfuricansG20對(duì)Cr6+的耐受度的研究

        硫酸鹽還原菌對(duì)Cr6+有去除作用,但當(dāng)Cr6+濃度過高會(huì)對(duì)硫酸鹽還原菌產(chǎn)生毒害作用[20]。當(dāng)過高濃度的Cr6+進(jìn)入硫酸鹽還原菌細(xì)胞體內(nèi),會(huì)與大分子結(jié)合導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性[21],從而對(duì)硫酸鹽還原菌有較強(qiáng)的毒性[22]。因此,研究硫酸鹽還原菌對(duì)Cr6+的耐受度對(duì)于研究硫酸鹽還原菌處理含Cr6+的硫酸鹽廢水具有重要的意義。筆者研究D.desulfuricansG20在含Cr6+體系中為期3 d的生長(zhǎng)狀況,結(jié)果見表1。由表1可知,D.desulfuricansG20能在Cr6+質(zhì)量濃度低于150 mg/L的條件下生長(zhǎng)。Cr6+對(duì)菌體的毒害作用會(huì)隨著Cr6+濃度的增加而加劇,導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)代謝緩慢,影響硫酸鹽還原菌對(duì)Cr6+的脫除[23]。

        表1 D.desulfuricans G20在含Cr6+體系中的生長(zhǎng)狀況

        注:+表示生長(zhǎng),-表示未生長(zhǎng)。

        圖7 不同Cr6+濃度的條件下的含量的變化Fig.7 Variations of sulfate content at different Cr6+ content

        2.3.3 在不同濃度的Cr6+體系中Cr6+的脫除效果

        硫酸鹽還原菌對(duì)Cr6+的去除有2種方式:吸附作用和生物轉(zhuǎn)化[24]。吸附作用是SRB吸附富集Cr6+以降低環(huán)境中Cr6+的濃度[25],此過程一般較快,持續(xù)5~10 min。生物轉(zhuǎn)化是SRB通過生長(zhǎng)代謝將高毒性的Cr6+還原為低毒性的Cr3+[26],整個(gè)過程與菌株的生長(zhǎng)周期和Cr6+的耐受度有關(guān)。近幾年,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有一些微生物通過這兩種方式去除環(huán)境中Cr6+[25,27-30]。不同Cr6+濃度的條件下,各體系中Cr6+濃度隨時(shí)間的變化結(jié)果見圖8。由圖8可知,反應(yīng)剛開始時(shí),體系中Cr6+的脫除率均達(dá)到80%以上,分別為92.87%、89.9%和83.56%。這是由于培養(yǎng)基及菌體對(duì)Cr6+具有吸附作用。隨后,反應(yīng)體系中Cr6+濃度降低可能是由于反應(yīng)體系中的S2-與Cr6+的反應(yīng)[31]。S2-還原Cr6+為Cr3+,而Cr3+又會(huì)與OH-發(fā)生反應(yīng)生成Cr(OH)3沉淀,從而對(duì)Cr6+有一定的脫除率。從圖8中還可看出,1 h后,在初始Cr6+質(zhì)量濃度為50和90 mg/L的體系中,Cr6+基本被全部去除。而此時(shí)初始Cr6+質(zhì)量濃度為120 mg/L的體系中,Cr6+的去除率為90.24%。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,Cr6+的濃度繼續(xù)降低,到18.5 h時(shí),體系中Cr6+去除率接近100%。這說(shuō)明,D.desulfuricansG20對(duì)Cr6+有著良好的脫除效果。Laxman等[32]和Thacker等[33]都發(fā)現(xiàn)細(xì)菌對(duì)Cr6+的脫除能力會(huì)隨著Cr6+初始濃度的升高而降低。

        圖8 不同Cr6+濃度的條件下Cr6+含量及脫除率的變化Fig.8 Variations of Cr6+ content and removal rate at different Cr6+ content

        3 結(jié)論

        D.desulfuricansG20菌株用10%的接菌量在37 ℃下培養(yǎng)前2 h處于生長(zhǎng)延滯期,2~18 h 菌株進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,18~26.5 h 進(jìn)入穩(wěn)定期,26.5 h后開始進(jìn)入衰亡期。

        D.desulfuricansG20菌株適宜的生長(zhǎng)溫度在32~42 ℃,最適宜溫度為37 ℃;適宜初始pH為6.2~9.2,最佳初始pH為8.2,在初始pH為4.2及5.2時(shí),菌株基本不生長(zhǎng);最佳生長(zhǎng)碳源為乳酸鈉和蔗糖。D.desulfuricansG20不能利用硫單質(zhì),最適硫源為亞硫酸鈉。

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