電場強化SRB生物膜降解硫酸根中pH值變化規(guī)律

胡守恒,徐建平,何雙雙

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖　241000)

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電場強化SRB生物膜降解硫酸根中pH值變化規(guī)律

胡守恒,徐建平,何雙雙

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

摘要：以外加1.5 V電源的SRB碳氈生物膜為實驗對象，在降解硫酸根的過程中通過改變外加電阻、溫度、初始pH值、碳硫比測定pH值來探索pH值隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：電場強化SRB碳氈生物膜促使pH值提升更快；連接電阻R≥500 Ω時，隨著連接電阻的增加，pH值提升逐漸緩慢；溫度為35 ℃時，pH值提升最快；隨著碳硫比增加至3∶1和4∶1時，pH值會有先升高后下降的現(xiàn)象；初始pH值在4～8時，pH值均得到提升；當(dāng)pH值為8時，第3天出現(xiàn)下降的趨勢。了解pH值的變化規(guī)律能為SRB去除重金屬廢水提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：SRB生物膜；電場強化；pH變化規(guī)律

硫酸鹽還原菌在高硫酸鹽有機廢水、酸性礦井廢水、電鍍廢水的應(yīng)用中，因其 “以廢治廢”、處理重金屬種類多、處理徹底等特點[1-2]具有廣泛的應(yīng)用共識。近年來，將硫酸鹽還原菌與電化學(xué)相結(jié)合組成微生物電解池和微生物燃料電池，來提高廢水處理率，極大地提高了其應(yīng)用潛力。

硫酸鹽還原菌降解硫酸根的實質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng)。硫酸鹽還原菌利用碳源提供的電子將硫酸根還原為硫離子，通過硫離子與氫離子結(jié)合來提升pH值。在堿性環(huán)境下，硫離子與重金屬結(jié)合可達去除重金屬的效果。在該過程中，pH值的提升是關(guān)鍵，所以探索pH值的變化規(guī)律能為SRB去除重金屬廢水提供數(shù)據(jù)支持。本文通過電場強化的硫酸鹽還原菌生物膜，在不同條件下降解硫酸根進行pH值變化規(guī)律的研究。

1　材料與方法

1.1硫酸鹽還原菌的培養(yǎng)

硫酸鹽還原菌(sulfatereducingbacteria,SRB)取自合肥工業(yè)大學(xué)，以Starkey培養(yǎng)基進行加富培養(yǎng)。Starkey培養(yǎng)基配方為：NaSO40.5g，NH4Cl1.0g，K2HPO40.5g，無水CaCl20.06g，70%乳酸鈉 5mL，MgSO4·7H2O2.0g，抗壞血酸 0.4g，蒸餾水1 000mL。

1.2硫酸鹽還原菌生物膜制備

碳氈電極預(yù)處理：碳氈預(yù)先剪成4cm×4cm正方形，置于0.1mol/L的鹽酸溶液中浸泡24h，然后置于去離子水中浸泡清洗2h，備用。

碳氈生物膜電極制備：將碳氈懸浮置于Starkey培養(yǎng)基中，接種10%SRB菌液。使用萬用電表記錄碳氈電極開路電位變化，紅表筆接碳氈電極，黑表筆接飽和甘汞電極，如圖1所示。

生物膜制作條件：接種10%菌液至Starkey培養(yǎng)基中，pH值為5，溫度為35 ℃，進行開路培養(yǎng)，每隔1min記錄開路電位，得到圖2的碳氈電極開路電位變化圖。

圖1　SRB碳氈生物膜制備接線示意圖

生物膜的形成是為對抗不利環(huán)境而自發(fā)進行的環(huán)境適應(yīng)機制，主要包括4個明顯的階段：起始的附著、細胞與細胞之間的吸附與增殖、生物膜的成熟，以及最后細菌的脫離過程[3]。由圖2可知：從第1天到第2天的開路電位穩(wěn)定降低為起始附著階段，與吸附動力學(xué)曲線的趨勢相似；以第3天開路電位急劇降低為細胞與細胞之間進行吸附與增殖，類似于生物的對數(shù)生長期；第4天開路電位穩(wěn)定，標(biāo)志著生物膜的成熟，可用于硫酸根降解探索試驗。

圖2　碳氈電極開路電位變化

1.3實驗方法

以Starkey培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，使用1.5V南孚堿性干電池提供電壓，陽極接碳棒，陰極接碳氈生物膜電極，分別調(diào)節(jié)連接電阻、溫度、碳硫比，每隔2h采用pH值電極測定pH值。

2　結(jié)果與分析

2.1連接電阻與pH值變化關(guān)系

初始條件：pH值為5，溫度為35 ℃，碳硫比為2∶1，設(shè)置連接電阻分別為0,100,500,1 000,1 500,2 000Ω，每隔2h取水樣，連續(xù)4天，每天取7次水樣測pH值，得圖3不同連接電阻降解硫酸根的pH值變化圖。以連接電阻為橫坐標(biāo)，最終pH值為縱坐標(biāo)，得圖4不同連接電阻下的pH值對比圖。

在圖3、4中可以看到：當(dāng)R(連接電阻)≥500Ω時，隨著連接電阻的增大，pH值升高越來越緩慢；R為500Ω時，pH值最高可升到約8；當(dāng)R<500Ω時，隨著連接電阻的減小，pH值緩慢升高。

SRB降解硫酸根的實質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng)，連接電阻在不致酶失活的條件下，影響電子傳遞速率。前期主要依靠硫酸根還原成的硫離子與氫離子結(jié)合來提高pH值，所以反應(yīng)越快pH值升高越快。對常壓供氫體系硫酸鹽還原菌進行電場強化研究表明：當(dāng)電流小于等于1.5mA時，隨著電流的增大硫酸根還原速率增大[4]。結(jié)合圖2，當(dāng)R≥500Ω時，隨著連接電阻的增大，反應(yīng)越來越慢，pH值升高越來越慢；當(dāng)R<500時，可能對酶活的影響較大，導(dǎo)致pH值升高緩慢。也或者當(dāng)R≥500Ω時，相應(yīng)的電流小于等于1.5mA，隨著連接電阻增大，電流減小，導(dǎo)致反應(yīng)越來越慢；當(dāng)R<500Ω時，相應(yīng)的電流大于1.5mA，破壞了酶活，導(dǎo)致pH值升高緩慢。

圖3　不同連接電阻降解硫酸根的pH值變化

圖4　不同連接電阻下pH值對比

2.2不同溫度下的pH值變化

初始條件：pH值為5，碳硫比為2∶1，連接電阻500Ω，設(shè)置反應(yīng)溫度分別為25,30,35,40,45 ℃。每隔2h取水樣，連續(xù)4天，每天取7次水樣測pH值，得圖5不同溫度下降解硫酸根的pH值變化圖。以溫度為橫坐標(biāo)，最終pH值為縱坐標(biāo)得圖6不同溫度下的pH值對比。

圖5　不同溫度下降解硫酸根的pH值變化

由圖4可以看出：溫度在25～45 ℃時，隨著時間的增加，pH值均會上升，而且曲線類似，說明溫度只會影響反應(yīng)速率。從圖6可以看出：當(dāng)溫度為35 ℃時，pH值提升最快。與馬忠友[5]對混合SRB菌群還原硫酸鹽生理特性的研究結(jié)果類似。

2.3不同碳硫比條件下pH變化

初始條件：pH值為5，溫度為35 ℃，連接電阻500Ω，設(shè)置碳硫比分別為① 1∶1,② 2∶1,③ 3∶1,④ 4∶1，每隔2h取水樣，連續(xù)4天，每天取7次水樣測pH值，得圖7不同碳硫比下降解硫酸根的pH值變化圖。

圖6　不同溫度下pH值對比

圖7　不同碳硫比下降解硫酸根的pH值變化

由圖7可以看出：①和②的pH值逐步提升；③和④的pH值先升高后降低。因為SRB本身是產(chǎn)氫菌，pH值的提升主要依靠被還原成S2-的硫酸根，當(dāng)硫酸根消耗完，則會積累H+導(dǎo)致pH值降低，故出現(xiàn)③和④的pH值先升高后下降的現(xiàn)象。

2.4不同初始pH值條件下的pH值變化

初始條件：碳硫比為2∶1，連接電阻500Ω，溫度35 ℃，設(shè)置初始pH值分別為4,5,6,7,8，每隔2h取水樣，連續(xù)4天，每天取7次水樣測pH值，得圖8不同初始pH值條件下降解硫酸根的pH值變化對比圖。

由圖8可以看出：在電場強化條件下，初始pH值在4～8時都能使pH值得到提升；pH值在8和9時，第3天出下降。SRB是一種適應(yīng)弱堿環(huán)境的細菌，從適應(yīng)期到內(nèi)源呼吸期一般為3～5天。pH值為7～8時，在第3天pH分別提升到9和10左右，產(chǎn)生的HS-和S2-會對SRB產(chǎn)生抑制，導(dǎo)致SRB自代謝產(chǎn)酸，使pH值降低。

圖8　不同初始pH值降解硫酸根的pH值變化

2.5電場強化與非電場強化條件下pH值變化

初始條件：pH值為5，碳硫比為2∶1，溫度35 ℃，設(shè)置一組連接500Ω和1.5V南孚干電池，另一組作對照。每隔2h取水樣，連續(xù)4天，每天取7次水樣測pH值，得圖9電場強化與非電場強化條件下pH值變化圖。

圖9　電場強化與非電場強化條件下pH值變化

由圖9可以看出：電場強化和非電場強均能使pH值升高；但電場強化的線條始終在非電場強化的線條之上，說明電場強化能使pH值提升更快。

對硫酸鹽還原菌電解系統(tǒng)陰極的硫酸根還原特性的研究結(jié)果表明[6]：硫酸鹽還原菌能利用陰極電子還原硫酸根，當(dāng)外加電壓0.8V時比外加電壓0.4V還原硫酸根速率高。pH值提升的關(guān)鍵在于S2-的產(chǎn)生。這說明電場強化能夠促進S2-的產(chǎn)生，從而使pH值提升更快。

3　結(jié)論

本文以外加1.5V電源的SRB碳氈生物膜為實驗對象，在降解硫酸根的過程中通過改變外加電阻、溫度、初始pH值、碳硫比測定pH值隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：電場強化SRB碳氈生物膜能加速硫酸根還原使pH值提升更快；連接電阻R≥500Ω時，隨著連接電阻的增加，pH值升高越來越緩慢；溫度為35 ℃時，pH值提升最快；隨著碳硫比的增加，pH值先升高后下降，因為隨著時間的進行使硫酸根數(shù)量不足，而且SRB產(chǎn)酸使pH值降低；初始pH值為4～8時都能使pH值得到提升；pH值為8時，第3天出現(xiàn)下降，可能由于產(chǎn)生的HS-和S2-對SRB產(chǎn)生抑制，導(dǎo)致SRB自代謝產(chǎn)酸，使pH值降低。

參考文獻：

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(責(zé)任編輯何杰玲)

收稿日期：2016-03-16

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51274001)；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放課題基金資助項目(SKLCRSM10KFA05)

作者簡介：胡守恒(1991—)，男，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事水環(huán)境治理與資源化研究；通訊作者 徐建平(1956—)，男，教授，主要從事水環(huán)境治理與資源化研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.013

中圖分類號：X703

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)07-0074-04

StudyoftheChangeLawofpHinSRBBiofilmDegradingSulfateEnhancedbyElectricField

HUShou-heng,XUJian-ping,HEShuang-shuang

(SchoolofBiochemicalEngineering,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China)

Abstract:Taking SRB biofilm attached carbon felt and connected 1.5 V power as the experimental object, this paper studied the change law of pH by manipulating external resistor, temperature, initial pH, carbon and sulfur ratio in the process of degradation sulfate. The results show that the biofilm enhanced by electric field contributes to a faster growth of pH; the growth of pH slows down with the increase of the resistance of resistor, when external resistor R is equal to or more than 500 ohms; the growth of pH increases the fastest, when temperature is 35℃; The pH increases first and then decreases when the carbon and sulfur ratio reaches up to 3:1 and 4:1; the pH increases when initial pH is kept between 4 to 8, and when initial pH is kept on 8, the pH will decrease on the third day. The change law of pH could provide basic data for the removal of heavy metal waste water by SRB.

Key words:SRB biofilm; electric field intensify; change law of pH

引用格式：胡守恒,徐建平,何雙雙.電場強化SRB生物膜降解硫酸根中pH值變化規(guī)律[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(7):74-77.

Citationformat：HUShou-heng,XUJian-ping,HEShuang-shuang.StudyoftheChangeLawofpHinSRBBiofilmDegradingSulfateEnhancedbyElectricField[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):74-77.