糙皮側(cè)耳降解堿木素的動力學(xué)研究

趙麗紅，孫洪軍

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

糙皮側(cè)耳降解堿木素的動力學(xué)研究

趙麗紅，孫洪軍

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

對糙皮側(cè)耳B1(白腐真菌的一種)降解堿木素的動力學(xué)進(jìn)行了研究?；贚ogistic方程，建立了糙皮側(cè)耳B1在純培養(yǎng)條件和堿木素存在條件下的生長動力學(xué)模型。動力學(xué)模型參數(shù)分別為0.94 d－1和0.90 d－1。該模型能夠較好地模擬體系中生物量的變化，平均相對誤差分別為3.2%和3.4%。糙皮側(cè)耳B1對低濃度堿木素的降解存在底物抑制現(xiàn)象，建立了底物抑制動力學(xué)模型，堿木素的最大比降解速率為1.46 h－1，底物飽和常數(shù)為36.7mg/L，底物抑制常數(shù)為308.30 mg/L。

動力學(xué);模型;堿木素;糙皮側(cè)耳;白腐真菌;降解

對微生物的生長和增殖、底物消耗、產(chǎn)物生成等的動力學(xué)特征進(jìn)行研究有助于加深對微生物生長行為的認(rèn)識，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。在描述微生物生長的相關(guān)數(shù)學(xué)模型中，最經(jīng)典的是Verhulst－Pearl的 Logistic方程、M ichelis－Menten方程和Monod方程［1］。近年來，生物學(xué)領(lǐng)域的各類數(shù)學(xué)模型紛紛出現(xiàn)，尤其是在環(huán)境生物學(xué)領(lǐng)域所提出的一些共代謝模型大大發(fā)展了上述經(jīng)典模型的理性內(nèi)涵和專業(yè)屬性［2－4］。關(guān)于白腐真菌對環(huán)境污染物的降解動力學(xué)已有不少研究［5－7］，但關(guān)于糙皮側(cè)耳(白腐真菌的一種)對堿木素的降解動力學(xué)研究較少。

本工作對糙皮側(cè)耳的生長動力學(xué)和其對堿木素的降解動力學(xué)進(jìn)行了分析探討，從理論上確定了糙皮側(cè)耳降解堿木素的生化反應(yīng)模型，為進(jìn)一步放大實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

堿木素:利用堿法制漿廢液經(jīng)最新生產(chǎn)工藝噴霧干燥而成。

糙皮側(cè)耳(Pleurotus ostreatus)B1:購自遼寧省大連市菌種研究所，由本實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)接保存。

液體培養(yǎng)基配方(ρ，g/L):葡萄糖 20，(NH4)2SO40.5，KH2PO42，MgSO4·7H2O 0.5，維生素B10.02。

鼓泡塔反應(yīng)器(BCR):有機(jī)玻璃制成的圓柱體，內(nèi)徑 80 mm，高 800 mm，實(shí)際工作容積約3 L［8－9］。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

菌種培養(yǎng):將菌種由斜面接種到液體培養(yǎng)基中，在30℃下以150 r/min的轉(zhuǎn)速搖床培養(yǎng)7 d。以5 000 r/m in的轉(zhuǎn)速離心，傾去上清液，用無菌水洗滌3次，制成菌懸液作為降解堿木素實(shí)驗(yàn)用的液體菌種。

堿木素的降解:在BCR中加入堿木素和菌體，每間隔一定時(shí)間取樣測定殘留堿木素濃度。

1.3 分析方法

采用干重法測定菌體質(zhì)量濃度［8］;采用吸光度法測定堿木素溶液在280 nm波長下的吸光度，計(jì)算堿木素質(zhì)量濃度［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌體生長動力學(xué)

本工作選用Logistic方程作為菌體生長動力學(xué)模型［10－11］，見式(1)。

式中:ρt為t時(shí)刻的菌體質(zhì)量濃度，g/L;ρm為最大菌體質(zhì)量濃度，g/L;k為動力學(xué)模型參數(shù)，d－1;t為反應(yīng)時(shí)間，d。

對式(1)進(jìn)行積分得到ρt與t的函數(shù)，見式(2)。

式中，ρ0為初始菌體質(zhì)量濃度，g/L。

將式(2)轉(zhuǎn)化為線性方程，見式(3)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以ln［ρt/(ρm－ρt)］對t作圖，得到在純培養(yǎng)條件下的k值為0.94 d－1;在堿木素存在條件下k值為0.90 d－1。

由此得到菌體在純培養(yǎng)條件和堿木素存在條件下的生長動力學(xué)方程，分別見式(4)和式(5)。

菌體在純培養(yǎng)條件和堿木素存在條件下的生長動力學(xué)曲線分別見圖1和圖2。由圖1和圖2可見，動力學(xué)曲線較好地模擬了體系內(nèi)生物量隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況。菌體在純培養(yǎng)條件和堿木素存在條件下生長的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與動力學(xué)曲線最大相對誤差分別為6.5%和8.5%，平均相對誤差分別為3.2%和3.4%。在純培養(yǎng)條件和堿木素存在條件下的最大菌體質(zhì)量濃度分別為1.15 g/L和0.90 g/L，由此可見，在堿木素存在條件下糙皮側(cè)耳B1的生物量有所減少，生長速率降低。

2.2 堿木素降解動力學(xué)

堿木素質(zhì)量濃度與比降解速率的關(guān)系見圖3。

圖3 堿木素質(zhì)量濃度與比降解速率的關(guān)系

由圖3可見:隨堿木素初始質(zhì)量濃度的增加，比降解速率先增大后減小，表明存在底物抑制現(xiàn)象。

堿木素降解動力學(xué)方程見式(6)。

Andrews提出的非競爭性底物抑制模型［12－13］見式(7)。

式中:v為堿木素比降解速率，h－1;vm為堿木素的最大比降解速率，h－1;ρj為堿木素質(zhì)量濃度，mg/L; Ks為底物飽和常數(shù)，mg/L;Ki為底物抑制常數(shù)，mg/L。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以式(7)為模型進(jìn)行非線性回歸后得到各模型參數(shù)。糙皮側(cè)耳B1降解堿木素的底物抑制速率方程見式(8)。

2.3 糙皮側(cè)耳B1對高濃度堿木素的降解

在菌體質(zhì)量濃度為3.0 g/L、反應(yīng)時(shí)間為4 d的條件下，糙皮側(cè)耳B1對高初始質(zhì)量濃度堿木素的降解情況見圖4。由圖4可見:隨堿木素初始質(zhì)量濃度的升高，降解率逐漸下降;當(dāng)堿木素初始質(zhì)量濃度為3 000 mg/L時(shí)，降解率為55%。由此可見，糙皮側(cè)耳B1可以降解高濃度堿木素，在實(shí)際生產(chǎn)中，對于高濃度的堿木素可不經(jīng)稀釋而直接使用糙皮側(cè)耳B1對其進(jìn)行快速有效的預(yù)處理。

3 結(jié)論

a)采用糙皮側(cè)耳B1降解堿木素。建立了糙皮側(cè)耳B1在純培養(yǎng)條件和堿木素存在條件下的生長動力學(xué)方程，分別為ρt=0.01e0.94t/［1－0.008 7(1－e0.94t)］和ρt=0.01e0.90t/［1－0.011 1(1－e0.90t)］，該模型較好地模擬了體系中生物量的變化，平均相對誤差分別為3.2%和3.4%。

b)糙皮側(cè)耳B1對低濃度堿木素的降解存在底物抑制現(xiàn)象，其底物抑制動力學(xué)方程為v=1.46/ (1+36.7/ρj+ρj/308.30)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與該動力學(xué)方程能較好地?cái)M合，為進(jìn)一步放大實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。

［1］ 顧夏聲.廢水生物處理數(shù)學(xué)模式［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1993:42－80.

［2］ Kurniawati S，Nicell J A.Kinetic model of laccasecatalyzed oxidation of aqueous phenol［J］.Biotechnol Bioeng，2005，91(1):114－123.

［3］ 鄒小玲，許柯，丁麗麗，等.NaCl和KCl對厭氧污泥抑制的動力學(xué)研究［J］.化工環(huán)保，2009，29(5): 394－397.

［4］ 朱陵，李濟(jì)吾.鐮刀菌HJ01對對氯苯酚的降解特性［J］.化工環(huán)保，2009，29(5):402－405.

［5］ 梁峙，韓寶平.白腐真菌生長條件及其代謝動力學(xué)模型［J］.農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)(英文版)，2008，9(6):1－9.

［6］ Horm iga JA，Vera J，F(xiàn)rias I，et al.Grow th and ligninolytic system production dynam ics of the Phanerochaete chrysosporium fungus a modelling and optimization approach［J］.J Biotechnol，2008，137(1－4): 50－58.

［7］ Rigas F，Papadopoulou K，Philippoussis A，et al.Bioremediation of lindane contam inated soilby Pleurotus ostreatus in non sterile conditions usingmultilevel factorial design［J］.Water Air Soil Pollut，2009，197(1－4):121－129.

［8］ 趙麗紅.糙皮側(cè)耳(Pleurotus ostreatus)降解棉漿黑液木質(zhì)素的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院，2008.

［9］ 趙麗紅，周集體，孫洪軍，等.白腐真菌反應(yīng)器處理廢水的研究進(jìn)展［J］.化工環(huán)保，2007，27(2):139－143.

［10］ 熊小平，文湘華，徐康寧，等.白腐真菌批式發(fā)酵動力學(xué)模型研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29(2):494－499.

［11］ Ntwampe SK O，Sheldon M S.Quantifying grown kinetics of Phaneorchaete chrysosporium immobilized on a vertically orientated polysulphone capillary membrane:Biofilm development and substrate consumption［J］.Biochem Eng J，2006，30(2):147－151.

［12］ Andrews JF.A mathematicalmodel for the continuous culture ofm icroorganisms utilizing inhibitory substrates［J］.Biotechnol Bioeng，1968，10(6):707－723.

［13］ Wang Jing，Yang Hua，Lu Hong，et al.Aerobic biodegradation of nitrobenzene by a defined microbial consortium immobilized in polyurethane foam［J］.World J M icrobiol Biotechnol，2009，25(5):875－881.

Kinetics Study on Degradation of Alkali Lignin by Pleurotus Ostreatus

Zhao Lihong，Sun Hongjun

(College of Civil Engineering and Architecture，Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning 121001，China)

The degradation kinetics of alkali lignin by Pleurotus ostreatus B1(a kind of white-rot fungi)was studied.The grow th kinetic model of Pleurotus ostreatus under the conditions of pure cultivation and cultivation with alkali lignin existence was established based on Logistic equation.The parameters of the model are 0.94 d－1and 0.90 d－1.The changes of biomass in the system can be preferably simulated with thismodel，and the average relative errors are 3.2%and 3.4%respectively.The substrate has an inhibition effect on the degradation of low concentration alkali lignin by Pleurotus ostreatus B1.The substrate inhibition kinetic modelwas obtained.Themaximum specific degradation rate of alkali lignin is 1.46 h－1，the substrate saturation constant is 36.7 mg/L，and the substrate inhibition constant is 308.30 mg/L.

kinetics;model;alkali lignin;Pleurotus ostreatus;white-rot fungi;degradation

X703.1

A

1006－1878(2011)03－0202－04

2010－10－24;

2010－12－21。

趙麗紅(1974—)，女，遼寧省錦州市人，博士，副教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染治理。電話 18904162944，電郵zhaolh_2003@sina.com。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2010年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃研究開發(fā)項(xiàng)目(2010－K7－8)。

(編輯 王 馨)