LAS共代謝降解菌的降解動力學研究

季瑞武，周　利，冉治霖，朱　佳

(1. 青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 266033；2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院 交通運輸與環(huán)境學院，深圳 518172；3. 深圳職業(yè)技術(shù)學院建筑與環(huán)境工程學院，深圳 518055)

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LAS共代謝降解菌的降解動力學研究

季瑞武1，周利1，冉治霖2，朱佳3

(1. 青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 266033；2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院 交通運輸與環(huán)境學院，深圳 518172；3. 深圳職業(yè)技術(shù)學院建筑與環(huán)境工程學院，深圳 518055)

研究2株直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS)共代謝降解菌的降解動力學.分別對2株直鏈烷基苯磺酸鈉共代謝降解菌克雷伯氏菌屬(Klebsiella sp.)和腸桿菌屬(Enterobacter sp.)進行研究，通過正交實驗考察了其最佳降解條件，并進行降解動力學研究.當溫度為30 ℃，pH值為7.5，裝液量為50 mL時，最適合兩株細菌降解LAS.其中菌株L-2在生長基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為500 mg/L時，對50 mg/LLAS降解率為94.2%；菌株L-15在生長基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時，對50 mg/LLAS降解率為92.2%；當LAS質(zhì)量濃度在25～100 mg/L范圍內(nèi)，2菌株降解反應符合一級動力學特征.本研究可為全基質(zhì)生活污水處理LAS廢水提供一定的理論依據(jù).

LAS；生物降解；共代謝；動力學

Linear alkylbenzene sulfonates (LAS)，它是一種陰離子表面活性劑，由于是合成洗滌劑的主要成分，在國內(nèi)外已得到廣泛應用[1-2].研究發(fā)現(xiàn)，好氧條件下LAS易生物降解，但經(jīng)過較長降解時間后，仍然有20%～50%的殘留[3].廢水中的LAS會給環(huán)境帶來巨大危害，它能夠影響酶的活性，溶解微生物和無脊椎動物的生物膜，破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，危害動、植物的健康[4-7].因此，如何高效率地去除廢水中LAS成為研究的熱點.目前處理LAS的方法主要有物理分離、催化氧化和生物處理.其中生物處理法處理規(guī)模大，設(shè)備簡單，成本低，應用廣泛，是研究最多的一種方法[8-9].

本實驗利用已經(jīng)分離鑒定的2株細菌[10]，通過正交實驗，確定其最佳降解條件，并對不同質(zhì)量濃度下的LAS降解進行了研究，分析了降解動力學特征，為全基質(zhì)生活污水處理LAS提供一定的理論基礎(chǔ).

1　材料與方法

1.1菌種來源

以深圳某污水廠曝氣池和二沉池污泥為菌源，分離得到了2株通過共代謝機制降解LAS的細菌，經(jīng)過鑒定為克雷伯氏菌屬(Klebsiella sp.)和腸桿菌屬(Enterobacter sp.).

1.2培養(yǎng)基

無機鹽培養(yǎng)基成分(g/L)：MgSO4·7H2O 0.14，Ka2HPO40.43，KaCl0.06，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.005，NH4Cl 0.75，LAS 0.05.蒸餾水定容1 L，調(diào)節(jié)pH=7.2.

1.3實驗儀器

全溫振蕩器(HZQ-FX，哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)有限公司)；高壓滅菌鍋(HVE-50，日本 Hirayama)、正置熒光顯微鏡(BX51，日本奧林巴斯)、微量離心機(MIKRO 200R，德國Hettich)、熒光分光光度計(F-7000, 日本日立)、紫外分光光度計(UV-7504，上海欣茂儀器有限公司)、電子天平(BS-124S，德國賽多利斯)、恒溫培養(yǎng)箱(MIR-254，日本三洋).

1.4實驗方法

1.4.1LAS降解性能的影響因素實驗

以無機鹽培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，分別改變溫度、pH、裝液量、葡萄糖質(zhì)量濃度，以1%接菌量接種培養(yǎng)基，將250 mL錐形瓶在轉(zhuǎn)速為150 r/min搖床上振蕩培養(yǎng)5 d，檢測殘留LAS質(zhì)量濃度，計算菌株對LAS降解率.

1.4.2菌株降解動力學

在最優(yōu)降解條件下，用Monod方程擬合菌株L-2與L-15對LAS降解速率.

1.4.3LAS質(zhì)量濃度測定[11]

取1.5 mL菌體濃度OD600為1.0的培養(yǎng)液放入離心管中，8 000 r/min離心10 min后取上清液1 mL加入25mL比色管，取pH為10.6的氨-氯化銨緩沖溶液5 mL加入比色管中，添加去離子水至25 mL.以試劑空白為參比，在激發(fā)波長λex=230 nm，發(fā)射波長λem=290 nm處，測得熒光強度F，根據(jù)F值由標準曲線求得LAS質(zhì)量濃度，計算LAS降解率.降解率計算公式為：

降解率=(C3-C2)/C1×100%

(1)

其中:C3為空白組培養(yǎng)一定時間后培養(yǎng)基中LAS質(zhì)量濃度；C2為試驗組培養(yǎng)一段時間后培養(yǎng)液中LAS質(zhì)量濃度；C1為初始培養(yǎng)時LAS質(zhì)量濃度.

2　結(jié)果分析

2.1LAS降解性能影響因素的正交實驗

以溫度(A)、pH(B)、裝液量(C)、葡萄糖質(zhì)量濃度(D)為因素進行正交試驗，各因素均取3個水平，因素水平表見表1.

正交試驗分析表2,3反映了細菌L-2與L-15在各因素水平下120 h后對LAS的降解率.

表1　正交試驗各因素及其水平表

表2　L-2正交試驗分析表

表3　L-15正交試驗分析表

對于因素A，1、2、3號試驗反映了A1對試驗影響，4、5、6號試驗反映了A2的影響，7、8、9號試驗反映了A3的影響.A1、A2、A3對LAS降解率影響大小可以由kA1、kA2、kA3的值判斷.由于kA1>kA2>kA3,所以A1為A因素的優(yōu)水平.根據(jù)同樣方法可知，B3、C1、D2為L-2細菌降解優(yōu)水平，B3、C1、D3為L-15細菌降解優(yōu)水平.對于L-2細菌，A1B3C1D2為最優(yōu)水平組合，即溫度為30 ℃，pH值為7.5，裝液量為50 mL，葡萄糖質(zhì)量濃度為500 mg/L；對于L-15細菌，A1B3C1D3為最優(yōu)水平組合，即溫度為30 ℃，pH值為7.5，裝液量為50 mL，葡萄糖質(zhì)量濃度為1 000 mg/L.極差R的大小可以判斷各因素對降解率影響主次，對于L-2與L-15，R1>R4>R2>R3，所以溫度對兩株細菌降解LAS影響最大，其次是葡萄糖質(zhì)量濃度和pH，裝液量對降解率的影響最小.

2.2菌株共代謝降解動力學研究

對初始質(zhì)量濃度為25、50、100 mg/L的LAS廢水進行降解試驗，結(jié)果如圖1、 2所示.

圖1　優(yōu)化條件下L-2降解不同質(zhì)量濃度LAS過程

圖2　優(yōu)化條件下L-15降解不同質(zhì)量濃度LAS過程

從圖1、2中可以看出，LAS質(zhì)量濃度呈指數(shù)型下降，在降解初始階段，LAS質(zhì)量濃度下降快，隨后趨于平緩.各擬合曲線均符合一級反應動力學方程，一般反應過程可表示為：

V=VmC/(k+C)

(2)

其中:V為反應速率，t-1；Vm為最大反應速率，t-1；C是底物質(zhì)量濃度，mg/L，k為半飽和速率常數(shù)，當降解反應遵循一級動力學方程時，C?k時，方程(2)可以寫為：

V=VmC/k

(3)

反應速率常數(shù)k0=Vm/k，由式(3)求得底物質(zhì)量濃度與時間關(guān)系為：

C=C0e-k0t

(4)

表4　L-2降解動力學方程

表5　L-15降解動力學方程

從表4、5可以看出，不同初始LAS質(zhì)量濃度條件下，LAS降解率的實際值與理論值符合較好，擬合的相關(guān)系數(shù)平方R2均在0.92以上.對于菌株L-2，隨著LAS初始質(zhì)量濃度的升高，反應速率常數(shù)k0先升高后降低，當LAS初始質(zhì)量濃度高于50 mg/L時，由于LAS的毒性作用，細菌生長繁殖會受到抑制，代謝活動減慢，因此降解速率下降，屬于典型的抑制動力學.

3　結(jié)　論

1)正交實驗表明細菌L-2的最適降解條件是溫度30 ℃ ，pH=7.5，裝液量50 mL，葡萄糖質(zhì)量濃度500 mg/L；細菌L-15的最適降解條件是溫度30 ℃，pH=7.5，裝液量50 mL，葡萄糖質(zhì)量濃度1 000 mg/L.

2)添加葡萄糖為生長基質(zhì)的無機鹽培養(yǎng)基中，在最適降解條件下，細菌L-2在120 h后對50 mg/L的LAS降解率為94.2%，細菌L-15在120 h后對50 mg/L的LAS降解率為92.2%.

3)當LAS質(zhì)量濃度小于100 mg/L時，細菌L-2與L-15降解LAS反應符合一級動力學方程，LAS質(zhì)量濃度較低時，反應速率常數(shù)較大，質(zhì)量濃度較大時，由于LAS的毒害用，細菌生長繁殖受到抑制，降解反應速率降低.

[1]NOMURA Y, IKEBUKURO K, YOKOYAMA K,etal. Application of a linear alkylbenzene sulfonate biosensor to river water monitoring [J]. Biosensors and Bioelectronics, 1998, 13(9): 1047-1053.

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[10]季瑞武. 水基清洗劑(WBD)廢水降解菌株的分離、鑒定及特性研究[D].青島: 青島理工大學, 2015.

[11]MENG Q, GE S, LI W. The determination of linear alkylbenzene sulphonate in drinking water and sewage by fluorescence spectrometrt [J].Journal of environment and health, 1999, 16(2): 112.

Study on degradation kinetics of co-metabolic biodegradation of linear alkylbenzene sulfonate strains

JI Rui-wu1, ZHOU Li1, RAN Zhi-lin2, ZHU Jia3

(1. School of Environment and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China;2. School of Transportation and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China;3. Department of Building and Environmental Engineering, Shenzhen Polytechnic Institute, Shenzhen 518055, China)

The degradation kinetics of co-metabolic biodegradation of two linear alkylbenzene sulfonate (LAS) strains was studied. Two bacterial strains which could degrade linear alkylbenzene sulfonate by co-metabolism mechanism, named as L-2 and L-15 were determined to Klebsiella sp. and Enterobacter sp. The optimal degradation conditions of L-2 and L-15 were investigated by the orthogonal experiment. The results suggested that the degradation rate of LAS (50 mg/L) by L-2 was up to 94.2% when glucose was chosen as growth substrate under the conditions as: 30 ℃, pH 7.5, glucose concentration 500mg/L, while the degradation rate of LAS (50 mg/L) by L-15 was up to 92.2% under the conditions as: 30 ℃, pH=7.5, glucose concentration 1 000 mg/L. The degradation reactions fitted first order kinetics when the concentration of LAS ranged from 25 mg/L to 100 mg/L. Certain theoretical basis of the treatment of LAS wastewater was provided by this study.

LAS; biodegradation; co-metabolism; degradation kinetics

2015-11-23.

深圳市科技計劃(JCYJ2014050815 5916418)

季瑞武(1991-)，男，碩士，研究方向：微生物生理生化.

朱佳，E-mail:zhmjia65@163.com.

X172

A

1672-0946(2016)04-0449-04