耐鹽菌對偶氮染料酸性紅B的脫色研究

1、第27卷第10期2007年10月環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)Acta Scientiae Circu m stantiaeVol .27,No .10Oct .,2007基金項(xiàng)目:教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金(No .2002247Supported by the Scientific Research Foundati on f or the Returned Overseas Chinese Scholars,State Educati on M inistry (No .2002247作者簡介:李杏(1982,女,碩士研究生,E 2mail:lx_p lantyahoo ;3通訊作者(責(zé)任作者B i

2、ography:L I Xing (1982,female,E 2mail:lx_p lantyahoo ;3Correspond i n g author李杏,項(xiàng)學(xué)敏,周集體,等.2007.耐鹽菌對偶氮染料酸性紅B 的脫色研究J .環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),27(10:1637-1642L i X,Xiang X M,Zhou J T,et al .2007.Decol orizati on of az o dye acid red B by salt 2t olerant bacteriaJ .Acta Scientiae Circum stantiae,27(10:1637-1642耐鹽菌對偶氮染料

3、酸性紅B 的脫色研究李杏,項(xiàng)學(xué)敏3,周集體,曲寶成,周笑白大連理工大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程實(shí)驗(yàn)室,大連116023收稿日期:2006210210修回日期:2007203211錄用日期:2007207211摘要:從食品加工廠含鹽污水處理車間的活性污泥中分離出對偶氮染料具有脫色活性的耐鹽菌體,研究了不同pH 值、脫色溫度、接菌量以及裝液量等條件對耐鹽菌體降解酸性紅B 的影響,并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),獲得其降解模擬偶氮染料廢水的最佳反應(yīng)條件.研究結(jié)果表明,耐鹽菌體T AS 在35、pH 為8、裝液量為50mL 及接菌量為8%(體積分?jǐn)?shù)的條件下,反應(yīng)10h 后對濃度為50mg L -1的酸性紅B 模擬廢水的脫色率達(dá)9

4、1%.關(guān)鍵詞:耐鹽菌;偶氮染料;酸性紅B;脫色文章編號(hào):025322468(20071021637206中圖分類號(hào):X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AD ecolor i za ti on of azo dye ac i d red B by s a lt 2toleran t bacter i aL I Xing,X I A NG Xue m in 3,ZHOU J iti,Q Baocheng,Z HOU XiaobaiDalian University of Technol ogy Laborat ory of Eco 2Engineering,Dalian 116023Rece i ved 1

5、0Oct ober 2006;rece i ved in revised f or m 11March 2007;accepted 11July 2007Abstract:Salt 2t olerant bacteria with potential t o decol orize az o dyes were is olated fr om the activated sludge of a waste water treat m ent p lant used f or the saline food industry .Fact ors affecting the degradati o

6、n of acid red B,including pH,temperature,inocula concentrati on and medium volume were investigated .Based on orthogonal design tests,the op ti m ized conditi ons were 35,pH 8,inocula concentrati on 8%and medium volume 50mL in 150mL flasks .After 10hours of treat m ent under these conditi ons,91%of

7、50mg L -1acid red B was decol orized .Keywords:salt 2t olerant bacteria;az o dye;acid red B;decol orizati on1引言(I ntr oducti on 化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生的廢水,特別是染料與印染工業(yè)生產(chǎn)廢水,因其具有鹽度高、色度深、組分復(fù)雜、化學(xué)穩(wěn)定性高、生物可降解性低等特點(diǎn),因而成為當(dāng)前最主要的水體污染源之一.據(jù)報(bào)道,我國染料年出口約3×105t,進(jìn)口5×104t,布料印染使用染料約2×105t,位居世界前列;在染料的生產(chǎn)和使用中,約有10%15%隨廢水直接排入環(huán)境

8、,對人類的生存造成極大的危害和隱患.早在20世紀(jì)70年代初期,人們就開始對染料廢水的處理進(jìn)行研究,主要采用物化方法和生物方法等處理技術(shù).物化方法包括絮凝、吸附、輻照、化學(xué)氧化、濕式空氣氧化等,一般需要使用大量的化學(xué)藥品,運(yùn)行費(fèi)用高,并伴隨產(chǎn)生大量難以處理的污泥;生物方法在一定程度上克服了上述缺點(diǎn),被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理方法.在實(shí)際使用的染料中,偶氮染料是重要的一種,其數(shù)量比例在50%以上.偶氮染料的分子中一般含有13個(gè)偶氮鍵“N =N ”,是發(fā)色基團(tuán);鍵上連有苯基或萘基,苯或萘基上又連有OH 、NH 2、CH 3、S O -3、NO 2及Cl 等取代基團(tuán),這些官能團(tuán)為助色基,當(dāng)光線射入后發(fā)

9、生選擇性吸收就產(chǎn)生視覺所能感受到的各種顏色.部分偶氮染料因其結(jié)構(gòu)中含有的偶氮萘酚基團(tuán),具有誘導(dǎo)有機(jī)體產(chǎn)生突變和致癌的慢性毒性作用,加之偶氮鍵斷環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)27卷裂生成的中間代謝產(chǎn)物是芳香胺類化合物,具有很強(qiáng)的致癌作用,因此,在對染料降解和脫色的研究中,偶氮染料的研究備受重視.偶氮染料廢水的處理方法包括物理吸附法、化學(xué)氧化及生物處理法.物理吸附的缺點(diǎn)在于成本高,吸附劑難于清洗,并且對某些大分子染料吸附力不夠.化學(xué)法主要有電解、光催化以及濕式過氧化氫氧化法,容易產(chǎn)生化學(xué)污泥的二次污染,色度去除率也不盡如人意.生物法是目前比較普遍采用的方法.Mechsner 等(1982發(fā)現(xiàn),利用甲苯處理蠟狀芽孢桿

10、菌(B.cereus 可以增加偶氮染料脫色速度;楊惠芳等(1989研究了假單胞菌S -42對偶氮染料的脫色和降解代謝,認(rèn)為偶氮染料的生物降解始于偶氮雙鍵的還原裂解,并形成相應(yīng)的芳香伯胺類化合物;戴樹桂等(1996對偶氮染料結(jié)構(gòu)-生物降解的定性及定量進(jìn)行了論述;郝魯江等(2006從自然界中篩選出對偶氮染料具有脫色優(yōu)勢的細(xì)菌,并對其進(jìn)行了初步研究.本實(shí)驗(yàn)選用偶氮染料酸性紅B 為研究對象,以實(shí)驗(yàn)室馴化的耐鹽菌為偶氮染料脫色優(yōu)勢菌群,考察了該菌體對酸性紅B 模擬廢水的處理情況,旨在研究各種因素的綜合作用效果,確定該脫色反應(yīng)的最佳工藝條件,考察該菌體對含鹽偶氮染料廢水的處理潛力.2實(shí)驗(yàn)部分(Materi

11、als and methods 2.1實(shí)驗(yàn)材料菌體來源:從天津某食品加工廠污水處理車間(含鹽量高的活性污泥分離得到的耐鹽菌群,簡稱T AS .耐鹽LB 培養(yǎng)基:酵母膏5g L -1,蛋白胨10g L-1,NaCl 濃度為30g L-1,pH 值78. 圖1染料酸性紅B 的結(jié)構(gòu)式Fig .1Molecular structure of the dye acid red B模擬染料廢水:在含鹽培養(yǎng)基中加入染料酸性紅B (ARB (結(jié)構(gòu)如圖1所示,ARB 的終濃度為50100mg L-1,pH 值為78.儀器:P B 220pH 計(jì)(德國,JASCOV 2560紫外2可見分光光度計(jì)(日本,G162W

12、 S 臺(tái)式高速離心機(jī)(長沙,Z H W Y 22102C 全溫度恒溫培養(yǎng)振蕩器(上海,LRH 22502G 光照培養(yǎng)箱(廣東.2.2實(shí)驗(yàn)方法2.2.1菌體生長曲線的測定本實(shí)驗(yàn)菌體培養(yǎng)均為好氧培養(yǎng),配置含鹽培養(yǎng)基150mL 于三角搖瓶中,按照1%(體積分?jǐn)?shù)將TS A 菌液接入含鹽培養(yǎng)基.在30下?lián)u床中好氧培養(yǎng),自接菌時(shí)起每隔2h 取樣測定培養(yǎng)基中菌體濃度,繪制T AS 菌體生長曲線.2.2.2單因素影響試驗(yàn)方法溫度對T AS 脫色的影響:將T AS 在含鹽培養(yǎng)基中培養(yǎng)至菌體生長的對數(shù)中后期,按10%的接種量接入150mL 玻璃搖瓶中(搖瓶中裝有50mL 液體含鹽培養(yǎng)基,其中含酸性紅B 質(zhì)量濃度為

13、50mg L -1,調(diào)節(jié)pH 值為7,在20、25、30、35、405個(gè)溫度下靜置反應(yīng),10h 后測定染料脫色率和菌體的生物量.pH 對T AS 脫色的影響:將含鹽培養(yǎng)基的pH 分別調(diào)為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0,按10%接種量將T AS 接種至150mL 玻璃搖瓶中(搖瓶中裝有50mL 液體含鹽培養(yǎng)基,其中染料濃度為50mg L-1,于30生化培養(yǎng)箱中靜置反應(yīng),10h 后取培養(yǎng)液離心、比色,計(jì)算脫色率和生物量.接菌量對T AS 脫色的影響:配置含酸性紅B 質(zhì)量濃度為50mg L -1的液體含鹽培養(yǎng)基50mL 裝入玻璃搖瓶中,待T AS 生長至對數(shù)中后期時(shí)按2%、4%、8

14、%、16%、20%的接種量接種玻璃搖瓶中,調(diào)節(jié)pH 為7,30下靜置反應(yīng)10h 后取培養(yǎng)液離心、比色,計(jì)算脫色率和生物量.裝液量對T AS 脫色的影響:在150mL 玻璃瓶中分別裝入不同體積的染料起始濃度為50mg L -1的液體含鹽培養(yǎng)基,保持各個(gè)搖瓶內(nèi)T AS 接種量均為10%,pH 為7,30下靜置反應(yīng)10h 后取培養(yǎng)液離心、比色,計(jì)算脫色率和生物量.2.3測定方法與染料降解分析菌體濃度測定:利用分光光度計(jì)測定660nm 處OD 值.染料濃度測定:利用分光光度計(jì)測定540nm (最大特征吸收峰處的吸光度.染料濃度在075mg L -1范圍內(nèi)與最大吸光度線性較好.染料濃度高時(shí)先進(jìn)行稀釋再測

15、定其吸光度.染料脫色率測定:將含染料以及菌體的培養(yǎng)基溶液離心(10000r m in -1,10m in 后,以未加染料的含鹽培養(yǎng)基為參比,在最大吸收波長測其吸光度.836110期李杏等:耐鹽菌對偶氮染料酸性紅B 的脫色研究脫色率q 按式(1計(jì)算:q =A 0-A t A 0×100%(1式中,A 0為接種后初始時(shí)刻的吸光度;A t 為好氧搖床培養(yǎng)一定時(shí)間后的吸光度.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Results 3.1耐鹽菌T AS 生長曲線及菌體干重2濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線T AS 菌體在含鹽培養(yǎng)基中的生長曲線(30、搖床140r m in -1如圖2所示.由圖可知,接種后6h T AS 均處于生長停滯期,對

16、數(shù)生長期出現(xiàn)在隨后的10h .本實(shí)驗(yàn)取好氧搖床培養(yǎng)10h 后的菌體為研究對象,在660n m 處吸光度值約為1.0.T AS 菌體干重x(g L -1與菌液濁度OD 660的關(guān)系見圖3,數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)系式為:OD =0.1971x +0.0452(R 2=0.9861(2 圖2TAS 菌群生長曲線(30g L -1NaCl Fig .2The gr owth 2ti m e relati on of T AS at 30g L-1 NaCl圖3TAS 濃度2干重標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig .3The standard curve of T AS concentrati on and dry weight

17、3.2耐鹽菌T AS 對酸性紅B 脫色條件單因素分析3.2.1溫度對T AS 脫色的影響從圖4中可以看出,溫度對細(xì)菌脫色的影響非常明顯.T AS 在3040之間對染料有較高的脫色率.圖5表明,隨著溫度的升高,細(xì)菌的生物量逐漸增加,但最適脫色溫度為35;推測可能原因是高溫導(dǎo)致偶氮還原酶活力降低,進(jìn)而造成脫色效果降低 .圖4溫度對酸性紅B 脫色率的影響Fig .4The effect of temperature on decol orizati on of ARB圖5溫度對細(xì)菌生物量的影響Fig .5The effect of te mperature on gr owth of T AS圖6p

18、H 對酸性紅B 脫色率的影響Fig .6The effect of pH on decol orizati on of ARB3.2.2pH 對T AS 脫色的影響由圖6可見,T AS在pH 為8時(shí)取得最佳的脫色效果.圖7表明,細(xì)菌9361環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)27卷最適生長pH 為7,隨著pH 升高,細(xì)菌的生長明顯受到抑制. 圖7pH 對細(xì)菌生物量的影響Fig .7The effect of pH on the gr owth of T AS 3.2.3接菌量對T AS 脫色的影響由圖8、圖9可見,接菌量也是影響微生物脫色效果的一個(gè)重要因素.接種量不足,則降解速度較慢,周期延長;接菌量過多,容易造成浪

19、費(fèi),而且也會(huì)引起營養(yǎng)成分不 圖8接菌量對酸性紅B 脫色率的影響Fig .8The effect of inoculati on content on decol orizati on ofARB 圖9接菌量對細(xì)菌生物量的影響Fig .9The effect of inoculati on content on gr owth of T AS足,使菌體不能正常生長繁殖,進(jìn)而降低脫色活力.實(shí)驗(yàn)表明,接菌量在16%時(shí)對酸性紅B 的脫色速率最快;隨著接菌量的增加,反應(yīng)后菌體生物量的增量也相應(yīng)地呈增長趨勢.3.2.4裝液量對T AS 脫色的影響由圖10可以看出,裝液量對染料脫色率的影響較小,當(dāng)裝液量為2

20、5mL 時(shí),脫色率略微偏低為75%,當(dāng)裝液量為50100mL 時(shí),脫色率均在80%左右,僅僅相差5%.隨著裝液量的增加,細(xì)菌的生物量增量卻明顯減少(見圖11.裝液量較少時(shí)菌體的生物量增量最高;這可能是由于菌體生長及酶的產(chǎn)生需要消耗大量的氧,因此,有必要將裝液量列為影響因子之一.圖10裝液量對酸性紅B 脫色率的影響Fig .10The effect of br oth content on decol orizati on ofARB圖11裝液量對細(xì)菌生物量的影響Fig .11The effect of br oth content on gr owth of T AS3.3正交實(shí)驗(yàn)根據(jù)T AS

21、 菌體在不同的pH 值、脫色溫度、接菌量和裝液量等條件下降解酸性紅B 的數(shù)據(jù)測定基礎(chǔ),初步確定了影響脫色效果的主要因素水平及指標(biāo).為了進(jìn)一步考察各因素之間的相互影響和各因素水平變化對生物降解的綜合影響,本研究采用了046110期李杏等:耐鹽菌對偶氮染料酸性紅B的脫色研究正交實(shí)驗(yàn)法,選擇4因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),所選擇的主要因素及水平見表1.表1正交實(shí)驗(yàn)因素和水平Table1The level and fact ors of orthogonal experi m ents水平因素溫度(A/pH(B接菌量(C/mL裝液量(D/mL125622523074503358875440910

22、100按照因素水平表及正交組合原理進(jìn)行組合得到正交實(shí)驗(yàn)表2.按表2制備16組染料濃度為50 mgL-1的模擬廢水(300mL,按表2中裝液量要求分裝至150mL玻璃瓶中,每組實(shí)驗(yàn)做3個(gè)平行,以12h為1個(gè)降解周期,測定脫色率,結(jié)果如表2所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果用極差分析法,即計(jì)算第i因素第k水平所對應(yīng)的脫色率,并計(jì)算出脫色率的平均值,由此判斷i因素的優(yōu)水平,各因素的優(yōu)水平即為最優(yōu)組合,計(jì)算極差Ri,根據(jù)R i大小判斷因素主次.表2脫色率實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀分析表Table2Straight analysis of discol ored experi m ents實(shí)驗(yàn)號(hào)水平溫度(ApH(B接菌量(C裝液量(D脫

23、色率1111164.8% 2122277.4% 3133382.8% 4144449.8% 5212385.5% 6221448.4% 7234149.9% 8243271.9% 9313478.5% 10324368.7% 11331284.8% 12342177.4% 13414261.5% 14423147.5% 15432486.1% 16441348.3% K1274.8290.3246.3239.6K2255.7242326.4295.6K3309.4303.6280.7285.3K4243.4247.4229.9262.8k168.772.57561.57559.9k263.92

24、560.581.673.9k377.3575.970.17571.325k460.8561.8557.47565.7R16.515.424.12514較優(yōu)水平A3B3C2D2從表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,溫度為35(A3、pH值為8(B3、接菌量為4mL(C2、裝液量為50mL(D2則平均脫色率最高,即A3B3C2D2是可能的最佳脫色條件.考察極差與脫色率的關(guān)系發(fā)現(xiàn),接菌量因素對脫色率的影響最大,溫度的影響次之,pH 的影響再次,而裝液量對脫色率的影響最小,于是估計(jì)出4個(gè)因素的重要程度為C>A>B>D.3.4正交實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述正交實(shí)驗(yàn)所決定的優(yōu)化條件并不在表2設(shè)計(jì)的16組試驗(yàn)當(dāng)中,為

25、了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性,故將此優(yōu)化條件與表2的16組實(shí)驗(yàn)中效果最好的第15組對比.結(jié)果表明,在35、pH值8、裝液量為50mL,接菌量為4mL條件下染料脫色率為91%,明顯優(yōu)于第15組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的86.1%.4結(jié)論(Conclusi ons1本研究從天津某食品加工廠污水處理車間(含鹽量高的活性污泥分離得到了耐鹽菌群T AS,此菌對偶氮染料酸性紅B具有脫色優(yōu)勢,且適應(yīng)環(huán)境因素如pH、溫度等條件的范圍較寬,降解活性穩(wěn)定.2外加碳氮源的條件下,菌體在10h左右即能使含鹽量3%、濃度為50mgL-1的酸性紅B脫色率達(dá)到80%以上.3以溫度、pH、接菌量和裝液量設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)優(yōu)化了T AS菌體的脫色條件

26、,結(jié)果表明,影響T AS脫色效果的因素主次為:接菌量>溫度>pH>裝液量,最佳脫色條件pH為8、裝液量為50mL、接菌量8%(體積分?jǐn)?shù)、溫度為35,此條件下耐鹽菌T AS對偶氮染料酸性紅B的脫色率最高,可達(dá)91%.通訊作者簡介:項(xiàng)學(xué)敏(1968,女,博士,副教授.主要從事污水生態(tài)處理方面的研究工作.E2mail:hjyjsdlut. .References:Dong Y C,L iu C Y,L iu R H.2006.Quantitative relati onshi p bet w een oxidative decol orati on p r operty and m

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28、 bacteriaJ.Journal of Beijing Technol ogy and Business14611642 環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào) M icrobiologica Sinica, 29 ( 6 : 418 426 ( in Chinese 27 卷 University (Natural science edition , 24 ( 1 : 10 14 ( in Chinese Mechsner K, W uhrmann K 1982. Cell per . meability as a Rate L im iting Factors in the M icrobial Reduition of sulfonated Azo Dyes J . Eur J App l M icrobiol B iotechnol, 15: 123 126 ( in Chinese Peng Y L, Hao Y S, L i J Z 1997. Status and development of p rinting and . dyeing or dye wastewater treatm ent by m icrobial method J . Anvances in Environmental Science, 5 ( 3 : 57 64 ( i