甲基紅染料生物脫色條件優(yōu)化探討

張鵬程 吳 珊 肖群芳 萬(wàn)淑倩 王布勻 彭其安

(武漢紡織大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

1 前言

染料及著色劑廣泛用于食品、印刷和印染等行業(yè)。目前，世界上染料年產(chǎn)量超過(guò)了7×105噸，商用品種達(dá)到了10，000余種，其中甲基紅染料應(yīng)用最為廣泛，約占60%[1]。印染廢水存在色度深，毒性強(qiáng)，難降解等特點(diǎn)，其處理難度較大。微生物技術(shù)處理染料廢水具有效率高和無(wú)二次污染等特點(diǎn)[2]。

我國(guó)開(kāi)展微生物技術(shù)處理染料廢水的相關(guān)研究起步較晚，在微生物絮凝機(jī)理和降解途徑上取得了一定的研究進(jìn)展，但目前極少成功用于工業(yè)化廢水處理[3]。調(diào)控機(jī)理研究不夠深入是其主要原因，微生物對(duì)染料廢水的降解功能除了與微生物本身的特性有關(guān)外，環(huán)境條件對(duì)降解起到了重要的作用，如：pH，培養(yǎng)液的組分，反應(yīng)溫度和染料濃度等[4]。基于此，本文主要探索了在不同環(huán)境條件下，微生物對(duì)甲基紅染料脫色效果影響。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 菌株：少動(dòng)鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)，由本實(shí)驗(yàn)室前期試驗(yàn)篩選并鑒定，見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

2.1.2 主要試劑及儀器

甲基紅染料(MR)，全自動(dòng)滅菌器(HVE-50)，潔凈工作臺(tái)(SW-CJ-2FD)，全自動(dòng)生化培養(yǎng)箱(SPA-370)，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-5100)等。

2.1.3 培養(yǎng)基及染料廢水來(lái)源

礦物質(zhì)鹽培養(yǎng)基(MSM)和有機(jī)液體培養(yǎng)基配方，分別見(jiàn)文獻(xiàn)[1，3]。染料廢水由本實(shí)驗(yàn)室配制，即：取一定量的MR溶于適量無(wú)水乙醇中，攪拌5min左右再加入去離子水定容，充分?jǐn)嚢?0～15min。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 MR脫色方法及脫色率的計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[5]

2.2.2 不同培養(yǎng)基對(duì)染料的脫色效果的影響

探討三種培養(yǎng)基對(duì)甲基紅染料的脫色效果，即：有機(jī)液體培養(yǎng)基、MSM培養(yǎng)基和葡萄糖(1.25g/L)+酵母浸粉(3g/L)+MSM(簡(jiǎn)稱(chēng)G+Y+MSM)。初始條件為：菌液接入量為1%，MR濃度為50ppm，pH7.0，溫度37℃，搖床轉(zhuǎn)速100r.min-1，脫色時(shí)間為12小時(shí)，設(shè)置三個(gè)重復(fù)。

2.2.3 微生物對(duì)不同濃度MR染料的脫色效果

在MSM中加入50，75，100，125，150，175，200，225，250，300，350，400，450和500ppm的染料，其他反應(yīng)條件不變，計(jì)算脫色率。

2.2.4 不同pH對(duì)染料脫色效果的影響

考察不同pH對(duì)MR染料脫色效果影響，即pH為3，4，5，6，6.5，7，8，9和10時(shí)，其他反應(yīng)條件不變，計(jì)算脫色率。

2.2.5 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)MR染料脫色效果的影響

確定最優(yōu)的培養(yǎng)基，染料濃度和pH后，設(shè)置不同反應(yīng)時(shí)間即3，6，12，24，36和48h，其他反應(yīng)條件不變，計(jì)算脫色率。

2.2.6 不同處理溫度對(duì)MR染料脫色效果的影響

最后考察了不同反應(yīng)溫度對(duì)MR染料脫色效果影響，即25，31，34，35，36，37，38，39，40和45℃時(shí)，其他反應(yīng)條件不變，計(jì)算脫色率。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同培養(yǎng)基對(duì)染料脫色效果的影響

不同的培養(yǎng)基對(duì)MR染料脫色效率具有較明顯的差異，見(jiàn)表1。有機(jī)培養(yǎng)基的脫色效果為2～9.5%，脫色率在12h時(shí)達(dá)到最佳(9.5%)。而采用MSM配方后，脫色率提高到19～49%，且在12和16h時(shí)達(dá)到了49%。同樣，與有機(jī)培養(yǎng)基相比，添加G+Y+MSM培養(yǎng)基后，甲基紅脫色率有較大提高，12小時(shí)達(dá)到了40%。由此表明：盡管有機(jī)培養(yǎng)基可能會(huì)提高微生物的生物量，但MSM培養(yǎng)基對(duì)MR染料脫色效果最佳。

表1 不同培養(yǎng)基對(duì)MR染料脫色效率比較

3.2 不同濃度對(duì)染料脫色效果的影響

不同濃度的染料對(duì)微生物脫色效果具有明顯的差異。本文設(shè)置MR濃度范圍為50～500ppm。當(dāng)MR濃度為175ppm時(shí)脫色率最高，達(dá)到了82%(見(jiàn)圖1)，而其他濃度下，MR染料脫色率均較低。作者推測(cè)，當(dāng)MR濃度較低時(shí)，微生物誘導(dǎo)出的相關(guān)染料降解酶活力較低，因而表現(xiàn)出染料脫色率較低。而MR濃度較高時(shí)，對(duì)微生物生長(zhǎng)具有較大的毒害，故此條件下脫色效率亦較低。

圖1 不同MR濃度下的脫色率

3.3 不同pH對(duì)染料脫色效果的影響

結(jié)果表明，反應(yīng)體系的pH對(duì)染料脫色效果具有顯著影響。圖2顯示，環(huán)境pH為6～8時(shí)，微生物對(duì)染料脫色效率較高，當(dāng)pH為6.5時(shí)，脫色率最高，達(dá)到了80%。結(jié)果暗示了在過(guò)酸或過(guò)堿性環(huán)境中，微生物的代謝及分泌的染料降解酶活性受到了明顯抑制，進(jìn)而影響到對(duì)MR染料的降解效率。

圖2 不同pH對(duì)MR脫色率的影響

3.4 不同處理時(shí)間對(duì)染料脫色的影響

圖3表明，0～24h內(nèi)脫色率隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在24h時(shí)脫色率達(dá)到63.4%。此后，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，脫色率無(wú)明顯增加，甚至表現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì)。而該趨勢(shì)線(xiàn)與微生物生長(zhǎng)曲線(xiàn)基本一致，推測(cè)是因?yàn)樵谖⑸飳?duì)數(shù)生長(zhǎng)后期，由于營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)消耗及環(huán)境條件的變化等因素，影響了微生物對(duì)該染料的脫色效果。

圖3 不同培養(yǎng)時(shí)間下的脫色率

3.5 不同培養(yǎng)溫度對(duì)染料脫色效果的影響

圖4為脫色率隨培養(yǎng)溫度的變化曲線(xiàn)圖，此圖表明：在25～36℃脫色率隨溫度的升高而增大，且在36℃時(shí)達(dá)到最大(92%)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，脫色率卻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。而前期研究表明微生物的最適生長(zhǎng)溫度為36℃，表明MR的脫色作用與微生物的生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)，當(dāng)溫度適宜微生物生長(zhǎng)時(shí)，脫色率也會(huì)明顯上升。

圖4 培養(yǎng)溫度與MR脫色率的相互關(guān)系

4 小結(jié)

本課題組篩選出的sphingomonas paucimobilis適合于降解MR等染料廢水處理[5]，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化了該菌對(duì)MR脫色條件。研究表明：當(dāng)染料廢水中培養(yǎng)基為MSM，MR濃度為175ppm，pH6.5，溫度36℃，脫色24h后，該染料脫色率可穩(wěn)定在92%以上。本實(shí)驗(yàn)中所用的MR染料廢水為人工配制，與工業(yè)印染廢水中的成分可能會(huì)有微量差異，如重金屬，恒量有機(jī)污染物等。為適應(yīng)工業(yè)化染料廢水處理工藝，我們需要做進(jìn)一步的優(yōu)化研究。

[1]Lamia Ayed，Abdelkarim Mahdhi，Abdelkarim Cheref，.et al.Decolorization and degradation of azo dye Methyl Red by an isolated Sphingomonas paucimobilis：Biotoxicity and metabolites characterization[J].Desalination，2011(274)：272-277.

[2]魏煒，李英燕，王天蛟，等.微生物絮凝劑絮凝特性研究[J]，沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(6)：1168-1172.

[3]張冬，向艷麗，彭其安，等.微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的篩選、鑒定及絮凝試驗(yàn)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50(1)：66-68.

[4]Maulin P Shah，Kavita A Patel，Sunu S Nair，.et al，Optimization of Environmental Parameters on Microbial Degradation of Reactive Black Dye[J].Bioremediation & Biodegradation，2013，4(3)：183-188.

[5]劉亞秋，張慧，彭其安，等.微生物絮凝劑對(duì)染料廢水的脫色試驗(yàn)[J]，湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52(5)：1036-1038.