響應(yīng)面面法優(yōu)化改性的表面活性劑的臨界膠束化降解菲

響應(yīng)面面法優(yōu)化改性的表面活性劑的臨界膠束化降解菲

多環(huán)芳烴（pahs）是一種含有2或2個以上醇環(huán)結(jié)構(gòu)的藥物，通常分布在土壤中。多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù),主要包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)、溶劑萃取、化學(xué)氧化、電動修復(fù)和熱處理等多環(huán)芳烴具有明顯非極性的分子結(jié)構(gòu),具有疏水性,易于吸附在土壤中,是限制微生物修復(fù)的關(guān)鍵因素響應(yīng)面法(Responsesurfacemethod)是近年來應(yīng)用比較廣泛的用于工藝參數(shù)優(yōu)化的方法,它在減少實驗次數(shù)、評價因素影響水平及交互作用方面效果明顯筆者采用前期篩選出的天然有機(jī)秸稈XG為載體,采用吸附法制備固定化微生物,選擇易被生物降解的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和吐溫80(Tween80)進(jìn)行復(fù)配,測定不同水/土比下的最佳復(fù)配比;設(shè)計響應(yīng)面實驗,用混合表面活性劑強化固定化微生物對多環(huán)芳烴菲的降解,確定混合表面活性劑強化微生物降解的最佳復(fù)配值,為混合表面活性劑強化秸稈固定化微生物在土壤修復(fù)的應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù)。1實驗部分1.1實驗用土的制備菲,質(zhì)量分?jǐn)?shù)97%,AladdinIndustrialCorporation產(chǎn)品;吐溫80(化學(xué)純)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS,分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。實驗用土取自勝利油田,將土壤中的植物殘體和碎石除去,過3mm篩,風(fēng)干備用。便攜式表面張力儀(EasyDyne(K20(S))),用于表面張力的測定;7890AGC氣相色譜(美國Agilent產(chǎn)品),用于菲含量測定。1.2體積ml/g為了探究土壤對表面活性劑的影響,實驗設(shè)置不同的水/土比(每克土中含水的體積,mL/g,以下同)。用表面張力法測定不同水/土比下SDBS的臨界膠束濃度,固定SDBS濃度與不同濃度的吐溫80混合,得出不同混合比的混合表面活性劑的臨界膠束濃度(CMC),并求出其有效臨界膠束濃度(CMC1.2.1土壤水/土比對sdbs濃度的影響配置一系列不同濃度的SDBS溶液,平均分為4組,置于250mL的錐形瓶中,每瓶100mL,第1組不加土壤,第2、3、4組分別加入5、10和20g土壤,使其水/土比分別為10/0、10/0.5、10/1、10/2mL/g,放置于160r/min、30℃的搖床培養(yǎng)箱中晃動4h,4000r/min離心5min,取上層清液測其表面張力,以表面張力為縱坐標(biāo),SDBS濃度的對數(shù)為橫坐標(biāo)繪圖,據(jù)圖得到CMC,并計算CMC1.2.2sdbs和th80混合表面活性劑的臨界膠束濃度將SDBS的有效臨界膠束濃度CMC1.3d降解率以常年被勝利原油污染的土壤為菌源,以菲為碳源,篩選馴化得到3株降解菌,命名為J-1、J-2和J-6,加入到菲質(zhì)量濃度為30mg/L的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中,對菲的7d降解率依次為23%、20%、19%。通過分子生物學(xué)方法鑒定J-1和J-6是芽孢桿菌屬,J-2是無色桿菌屬。1.4菲的分辨率和測定1.4.1固定化微生物的降解將菲溶解于無機(jī)鹽培養(yǎng)基中至飽和,分裝到250mL的錐形瓶中,每瓶100mL。每個錐形瓶中加入3g的固定化微生物(按游離菌生物量10%等量換算),并加入表面活性劑和土壤,放置在30℃、160r/min的恒溫?fù)u床中降解7d。固定化微生物通過呼吸作用降解培養(yǎng)基中的溶解菲,使菲的含量降低。1.4.2色譜測定條件用環(huán)己烷萃取錐形瓶中的菲,定容濃縮至1mL,氣相色譜測定含量。色譜條件:色譜柱初始溫度50℃,保持10min,以8℃/min的速率升到320℃,保持10min;進(jìn)樣口溫度320℃;檢測器溫度350℃。1.5反應(yīng)域優(yōu)化實驗1.5.1固定化微生物對多環(huán)芳烴菲降解的優(yōu)化實驗用響應(yīng)面法對吐溫80、SDBS、水/土比3個因素進(jìn)行固定化微生物對多環(huán)芳烴菲降解的優(yōu)化實驗。選用Box-BehnkenDesign(BBD)模型進(jìn)行實驗設(shè)計。1.5.2固定化微生物的制備與生物量的測量采用降解菌J-1、J-2和J-6,以粉碎過40目篩后的秸稈XG為載體,采用吸附法制備固定化微生物2結(jié)果與討論2.1不同水-土比下混合表面活性劑的臨界膠束濃度2.1.1不同水/土比下sdbs水溶液的cmc表面活性劑能夠促進(jìn)菲的脫附,增大其在水中的溶解度,利于微生物對菲的降解。研究表明,當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到CMC時,表面活性劑具有較好的作用從圖1可以看出,隨著表面活性劑SDBS濃度的增加,4個體系中的表面張力都逐漸降低,到一定濃度后保持不變。水/土比為10/0(mL/g)時,SDBS水溶液的CMC為0.010mol/L。水/土比為10/0.5、10/1、10/2(mL/g)時,SDBS的有效臨界膠束濃度CMC2.1.2不同混合比的sdbs和吐溫80對表面張力的影響有研究表明,非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑混合對難溶有機(jī)污染物具有協(xié)同增溶作用從圖2可以看出,隨著吐溫80濃度的升高,4個體系的表面張力初始都呈下降趨勢,到一定值后保持不變,即不同混合比的SDBS和吐溫80混合表面活性劑均降低了水溶液的表面張力。水/土比分別為10/0、10/0.5、10/1、10/2(mL/g),4個體系表面張力達(dá)到最低點時,吐溫80的初始質(zhì)量濃度分別0.010、0.020、0.035和0.045g/L。不同體系下,最小表面張力對應(yīng)的混合表面活性劑的配比不同。在25℃的純水中,吐溫80的理論CMC是0.014g/L,與SDBS混合后,使該濃度降低至0.010g/L。這可能是由于陰離子表面活性劑與非離子表面活性劑形成混合膠束和混合吸附層,原來帶負(fù)電荷的表面活性劑離子間的排斥作用減弱,膠束更易形成2.2混合表面活性劑用于加強固定化微生物條件的反應(yīng)面優(yōu)化2.2.1固定化微生物的降解和培養(yǎng)通過表面張力實驗初步研究了混合表面活性劑的混合性能,得出了混合表面活性劑臨界膠束濃度。據(jù)此以吐溫80、SDBS、水/土比3個因素分別為自變量A、B、C,菲的7d降解率Y為響應(yīng)值,進(jìn)行混合表面活性劑強化固定化微生物降解菲的響應(yīng)面優(yōu)化實驗。其因素和水平設(shè)計列于表1。根據(jù)BBD的實驗設(shè)計進(jìn)行17個實驗點的響應(yīng)面優(yōu)化實驗。加入表面活性劑和土壤,放置在30℃、160r/min的恒溫?fù)u床中降解7d,進(jìn)行固定化微生物的強化降解實驗。菲的無機(jī)鹽培養(yǎng)基的配置:加入過量的菲于無機(jī)鹽培養(yǎng)基中溶解至飽和,分裝到250mL的錐形瓶中,每瓶100mL。每個錐形瓶中加入3g的固定化微生物(按游離菌生物質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%等量換算)。響應(yīng)面實驗的結(jié)果見表2。2.2.2固定化微生物的生物量用平板計數(shù)法測得固定化微生物的生物量分別為1.17×102.2.3顯著性分析結(jié)果對表2的實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,結(jié)果見表3。當(dāng)P<0.05時表明該項指標(biāo)影響顯著;P<0.01時,表明該指標(biāo)影響非常顯著。從表3可以看出,該模型的顯著性系數(shù)P<0.0001,影響非常顯著;系數(shù)A、B、A采用DesignExpert8.0.6軟件對BBD實驗結(jié)果進(jìn)行二元多項回歸擬合,得到方程式(1)。式(1)中,η為菲的降解率,%;A、B、C分別表示SDBS摩爾濃度(mol/L)、吐溫80質(zhì)量濃度(g/L)、水/土比(mL/g)。回歸系數(shù)R2.2.4多元二次回歸方程響應(yīng)面模型圖可以分析各個因素之間的交互作用,并分析各因素對響應(yīng)值菲的降解率的影響。其三維圖見圖3。從圖3中各響應(yīng)面的陡峭程度,結(jié)合表3的方差分析,可以得出,在給定的因素水平內(nèi)各因素對多環(huán)芳烴菲降解率的影響由大到小順序依次為吐溫80、SDBS濃度、水/土比。圖形越陡,交互作用越顯著。從圖3也可看出,吐溫80和SDBS的交互作用顯著,水/土比與吐溫80和SDBS的交互作用都不是很顯著。對多元二次回歸方程求導(dǎo),得到混合表面活性劑強化固定化微生物降解不同水/土比中多環(huán)芳烴菲的最優(yōu)實驗條件為:SDBS摩爾濃度0.014mol/L,吐溫80質(zhì)量濃度0.050g/L,水/土比10/1(mL/g)。由于實際土壤中的水/土比較大,不易調(diào)節(jié)得過小,因此只調(diào)節(jié)2種表面活性劑的配比,取0.014mol/LSDBS和0.050g/LTween80,即SDBS和Tween80的質(zhì)量比為9.76/1,用于強化固定化微生物修復(fù)多環(huán)芳烴污染的土壤修復(fù)效果最好。2.2.5固定化微生物降解多環(huán)芳烴的效果對模型進(jìn)行實驗驗證。按照2.2.4節(jié)得到的最優(yōu)條件添加混合表面活性劑的配比,在水/土比為10/1(mL/g)的條件下進(jìn)行固定化微生物降解菲的實驗,得到7d菲的降解率為54%,與模型預(yù)測的最優(yōu)條件下菲的降解率55%尤為接近,說明該模型能用于預(yù)測和分析固定化微生物降解多環(huán)芳烴菲的情況。3sdbs和tween80對固定化微生物的催化作用(1)土壤能夠增大表面活性劑的臨界膠束濃度。純水體系中SDBS的臨界膠束濃度為0.010mol/L,當(dāng)水/土比為10/0.5、10/1、10/2(mL/g)時,SDBS的臨界膠束濃度分別為0.012、0.014和0.015mol/L。(2)影響固定化微生物降解菲的因素的顯著性由大到小依次為吐溫80濃度、SDBS濃