利用紫外光催化緩解吡啶對微生物細胞生長的抑制

(上海師范大學 生命與環(huán)境科學學院,上海 200234)

利用紫外光催化緩解吡啶對微生物細胞生長的抑制

張雨婷, 張永明*

(上海師范大學 生命與環(huán)境科學學院,上海200234)

分別采用葡萄糖和苯酚為基質培養(yǎng)微生物細胞,模擬生活污水和工業(yè)廢水的生物處理過程.此時的細胞生長動力學可以用Monod模型描述.當加入吡啶溶液時,微生物細胞的生長都受到了一定程度的抑制,它們的動力學則表現為受抑制的Aiba模型.此時,最大比生長速率(μmax)分別降低了34%和25%.而對含有吡啶的溶液進行紫外光催化之后,對微生物細胞的抑制可以得到很大的緩解,其生長動力學又恢復到無抑制的Monod模型.以葡萄糖為培養(yǎng)基質時,微生物細胞的比生長速率可以恢復到原來的81%;而以苯酚為基質培養(yǎng)時,最大比生長速率則比原來高38%.

微生物細胞培養(yǎng); 光催化; 生物抑制; 動力學

0 前 言

在各種污廢水處理技術中,生物處理法普遍被人們所采用[1-6].其主要原因就是經濟實用,同時還具有操作簡便等一系列優(yōu)點.而在污廢水處理的很多場合下,活性污泥法是人們采用的最多的生物處理方法之一[7-12].該方法已有百年的歷史[13],在人們的心目中被視為可靠的水處理方法[14].傳統(tǒng)的生活污水或工業(yè)廢水的活性污泥處理系統(tǒng),通常是為穩(wěn)定的進水水質而設計的,并且在長期的運行過程中,已形成了穩(wěn)定的微生物群落分布,但這一穩(wěn)定的微生物群落往往沒有應對水質突然變化的能力.隨著經濟的高速發(fā)展,新的化學藥品層出不窮,無論是生活污水還是工業(yè)廢水處理系統(tǒng),都會面臨突發(fā)事件的威脅.例如由于意外事故或是管理落后,含有難降解的工業(yè)污染物會突然排放到常規(guī)的水處理系統(tǒng).而傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)中一旦有難降解有機污染物的排入,會對活性污泥系統(tǒng)產生沖擊,嚴重的會導致活性污泥處理系統(tǒng)失效.

在這些難降解的有機污染物中,吡啶(C5H5N)是一個代表.吡啶是重要的有機溶劑和精細化工原料,廣泛應用于合成橡膠、染料、醫(yī)藥、農藥等領域[15].吡啶具有惡臭和一定的毒性,對神經有致毒作用,對眼角膜有損害[16].吡啶不僅是一類典型的難降解含氮雜環(huán)化合物,還對微生物呈現強烈的抑制作用.因此一旦含有吡啶或類似化合物的工業(yè)廢水排放到正常的生活污水或其他工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中,很容易導致活性污泥中微生物群落發(fā)生改變或者處理效率下降,進而產生水處理事故.因此如何在正常的生活污水或工業(yè)廢水處理程序中,對突發(fā)事件進行干預,似乎應成為污水處理單元所應具備的一種應急措施和手段.

對于含有吡啶廢水的處理,已有很多報道.鑒于吡啶的生物難降解性質,各種物理、化學的方法被人們所采用[17],并被用來作為生物處理之前的預處理.人們試圖通過這些物理或化學的方法減緩吡啶對正常微生物的抑制,同時提高吡啶的生物降解效率[18].

在本研究中,分別以葡萄糖和苯酚作為主要基質培養(yǎng)適宜的活性污泥體系,以模擬生活和工業(yè)污水處理過程.然后在此基礎上,加入吡啶以考察常規(guī)的生活污水或工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中的微生物在突遇難降解有機物之后的微生物生長情況.再在此基礎,采用紫外光輻射的方法,對吡啶進行處理,以緩解其對微生物的抑制,從而為常規(guī)的廢水和污水處理過程中,偶遇突發(fā)事件提供一種有效的預防措施.在此研究過程中,還著重探討吡啶在紫外光輻射下降解規(guī)律,以探討紫外輻射緩解吡啶對微生物抑制的機理,從生物動力學的角度定量描述吡啶經過紫外光輻射前后的動力學變化,為實際污廢水的處理提供理論依據.

1 材料與方法

1.1溶液的配制

實驗所用葡萄糖、苯酚、吡啶和其他相關藥品均為分析純,購自上海國藥集團.溶液配制時,先將配制質量濃度為5 g/L的葡萄糖、苯酚和吡啶溶液作為母液,在生物降解時,根據實驗設計用自來水稀釋后配制成所需質量濃度的溶液.

1.2TiO2光催化薄膜板的制備

溶膠的制備:以鈦酸四正丁酯與乙醇以1∶4的體積比均勻混合,在35 ℃水浴條件下,將適量硝酸溶液在快速攪拌下緩慢滴入已配好的混合液中,直至pH=3為止,在室溫的條件下慢速攪拌1 h制成TiO2溶膠.

薄膜的制備:將洗凈的毛玻璃在超聲作用下(59 kHz)通過浸漬提拉法涂膜,提拉完備后,將載體置于馬弗爐內,升溫至500 ℃并保溫1 h后隨爐冷卻,如此重復8次,即得所需的銳鈦礦晶型二氧化鈦光催化薄膜板.

1.3吡啶溶液的光催化

光催化反應裝置主要由暗箱、4根紫外燈管(8 W,λ=254 nm)、磁力攪拌器(800 r/min)、轉子、表面皿(有效體積50 mL)和二氧化鈦光催化板組成.將光催化板置于表面皿中,在表面皿中添加50 mL水樣,并且運用磁力攪拌器和轉子使表面皿中的水樣進行均勻的內循環(huán)推動,同時開啟紫外燈對其進行光催化.表面皿中的水樣水面距離紫外燈4 cm,距光催化板0.5 cm.對吡啶的光催化時間為30 min.

1.4降解菌的馴化培養(yǎng)

所用污泥取自龍華污水處理廠A/O池缺氧段,取其上清液,經過濾后將170 mL上清液倒入搖瓶中.

葡萄糖降解菌的培養(yǎng):在500 mL的搖瓶中,加入20 mL營養(yǎng)液、10 mL緩沖溶液、1 mL微量元素溶液和自來水170 mL,再加入0.1 g葡萄糖.隨后將搖瓶至于搖床中培養(yǎng)(160 r/min,35 ℃).在培養(yǎng)過程中,監(jiān)測OD600值.在OD600值有明顯的上升,溶液呈乳濁液后,即葡萄糖菌液培養(yǎng)完成后開始實驗.葡萄糖降解菌培養(yǎng)周期約2 d.

苯酚降解菌的馴化培養(yǎng):在搖瓶中加入5～200 mg/L苯酚,20 mL營養(yǎng)液,10 mL緩沖溶液,1 mL微量元素溶液,隨后將搖瓶至于搖床中(160 r/min,35 ℃) 培養(yǎng).在培養(yǎng)過程中,監(jiān)測苯酚質量濃度、OD600值.在OD600值有明顯的上升并且苯酚24 h降解率達到80%后,即苯酚菌液培養(yǎng)完成,開始實驗.苯酚降解菌培養(yǎng)馴化周期約1個月.

微生物生長所用營養(yǎng)液含有(g/L):Na2HPO44.26、KH2PO42.65、MgSO4·7H2O 0.2、CaCl20.02、MnSO4·7H2O 0.002.

微生物生長所用微量元素溶液含有(g/L):FeCl2·4H2O 1.5、NiCl2·6H2O 0.024、CoCl2·6H2O 0.19、CuCl2·2H2O 0.002、MnSO4·7H2O 0.1、Na2MoO4·2H2O 0.024、ZnCl20.07、H3BO30.006.

微生物生長所用緩沖溶液溶液含有(g/L):KH2PO48.5、K2HPO421.75、Na2HPO4·7H2O 33.4、NH4Cl 1.7.

1.5微生物生長配水

實驗以不同質量濃度的葡萄糖+吡啶、苯酚+吡啶為碳源(質量濃度比為5∶1),進行搖瓶實驗.葡萄糖質量濃度及苯酚質量濃度分別為25、50、100、150、200、250、300 mg/L,吡啶質量濃度分別為5、10、20、30、40、50、60 mg/L.

在搖瓶中加入170 mL配水、葡萄糖和苯酚培養(yǎng)的菌液(10 mL)、20 mL營養(yǎng)液、10 mL緩沖溶液、1 mL微量元素溶液,隨后將搖瓶至于搖床中(160 r/min,35 ℃)進行恒溫好氧培養(yǎng).分析其進出水的OD600值.

1.6分析方法

OD采用紫外-可見光分光光度計SHIMADZU UV-2550(波長為600 nm)測定.

2 結果與討論

2.1葡萄糖為基質時微生物的生長

每間隔一定時間,測試培養(yǎng)液的OD值,然后根據微生物細胞質量濃度與吸光度之間的關系,求解出細胞質量濃度.圖1所示是采用葡萄糖為基質時,進行24 h搖瓶培養(yǎng)微生物細胞生長的情況,初始葡萄糖質量濃度分別為25、50、100、150、200、250、300 mg/L.其中圖1(a)是單獨葡萄糖為基質,圖1(b)則是在圖1(a)的基礎上以質量濃度比為5∶1加入吡啶,吡啶質量濃度分別為5、10、20、30、40、50、60 mg/L.比較圖1(a)和(b)可以看出,單獨葡萄糖的對數生長期出現在反應開始后的第6小時,而加入吡啶后,其對數生長期出現時間延長,變?yōu)? h.這從一方面說明了,吡啶的加入對葡萄糖降解菌產生了抑制,阻止了葡萄糖降解菌利用葡萄糖作為菌生長所需的能量.其次,圖1(a)中24 h生物生長量幾乎是圖1(b)24 h生物生長量的2倍.這從另一方面也反映出,吡啶的加入不僅影響了微生物生長對數期出現的時間,也影響了微生物利用葡萄糖作為碳源供生長的能力.

圖1 葡萄糖為主要基質時微生物細胞的生長情況.(a) 單獨葡萄糖;(b) 葡萄糖加入吡啶;(c) 對吡啶進行紫外光催化之后加入葡萄糖

在上述實驗的基礎上,同樣比例的吡啶溶液先進行30 min的光催化之后再加入到葡萄糖溶液中,進行微生物細胞的培養(yǎng),如圖1(c).此時,對數生長期仍然從8 h開始.但最大細胞生長量要高于圖1(b).這表明,對吡啶進行光催化之后,由于吡啶會生成一些有利于微生物生長的中間產物[19],使得細胞生長量又有所增加.

2.2苯酚為基質時微生物的生長

同樣根據苯酚為培養(yǎng)基時吸光度與細胞質量濃度之間的關系,確定細胞質量濃度.圖2是以苯酚作為主要碳源,進行24 h微生物細胞培養(yǎng)的情況.圖2(a)表示單獨以苯酚培養(yǎng)基質時培養(yǎng)的情況,苯酚的初始質量濃度分別為25、50、100、150、200、250、300 mg/L.經過24 h搖瓶培養(yǎng),其生物量生長的情況.圖2(b)則是在圖2(a)的基礎上以苯酚質量濃度的1/5加入吡啶的情況.此時的初始吡啶質量濃度分別為5、10、20、30、40、50、60 mg/L.比較圖2(a)和(b)可以看出,由于吡啶的加入,微生物細胞的對數生長期明顯延遲.同理,吡啶加入后微生物細胞的最大生長量明顯低于直接用苯酚作為基質時的細胞增長量.這也表明了吡啶的加入抑制了微生物對苯酚的利用.圖2(c)則是對吡啶進行光催化之后再加入到苯酚溶液中去,進行24 h細胞培養(yǎng)的情況.與葡萄糖為基質進行細胞培養(yǎng)時一樣,對吡啶進行紫外光催化之后,微生物細胞的生長量又有所增加.

圖2 苯酚為主要基質時微生物細胞的生長情況.(a)單獨苯酚為基質;(b)苯酚加入吡啶;(c)對吡啶進行紫外光催化之后加入苯酚

比較圖1和圖2可以看出,吡啶的加入會延遲微生物細胞對數生長期的出現時間.但以苯酚為主要基質時,微生物細胞的最大生長量明顯小于以葡萄糖為基質時的細胞生長量.這是因為葡萄糖是一種極易被微生物利用的有機物,所以吡啶的加入對微生物生長量的影響十分大,而對苯酚的影響則稍微小一些.

2.3細胞生長動力學

圖3 分別以葡萄糖、葡萄糖加吡啶和葡萄糖加入光催化后的吡啶基質培養(yǎng)微生物細胞的動力學.(符號E表示實驗值,C表示計算值)

圖4 分別以苯酚、苯酚加吡啶和苯酚加入光催化后的吡啶基質培養(yǎng)微生物細胞的動力學.(符號E表示實驗值,C表示計算值)

表1是它們的動力學常數.由表1可以看出,單獨以葡萄糖和苯酚為培養(yǎng)基質時,最大比生長速率μmax分別為5.9 h-1和0.8 h-1,兩者相差達到7倍之多.這表明葡萄糖的可生化性明顯高于苯酚.

當按照質量濃度比為1∶5的比例加入吡啶之后,它們的最大比生長速率μmax分別降低到3.9 h-1和0.6 h-1,即分別降低了34%和25%.葡萄糖為主要基質時,降低的幅度要大許多.而對吡啶先進行光催化之后再加入時,它們的最大比生長速率μmax又分別提高到4.8 h-1和1.1 h-1.這是由于直接將吡啶加入到葡萄糖或苯酚溶液時,吡啶對微生物生長的抑制非常明顯.而經過光催化之后,由于吡啶在光催化作用下,會生成一些有機酸如琥珀酸等[19-20],而有機酸是有利于微生物生長的.

有意義的是,當對吡啶進行光催化之后再加入的苯酚溶液時,此時最大比生長速率μmax達到1.1 h-1.甚至超出單獨以苯酚為基質時細胞的生長速率達38%.

KS值是衡量微生物細胞對底物親和性的指標,且KS值與親和性成反比.由表1可以看出,無論葡萄糖或苯酚為基質培養(yǎng)微生物細胞時,當吡啶加入后,KS值都明顯增加,而加入經過光催化之后的吡啶時,KS值都會不同程度地減小.

KSI值表示吡啶加入后對微生物細胞生長速率的一種抑制.由表1可以看出,無論是葡萄糖還是苯酚,它們的抑制常數相同.這說明,吡啶對這兩種情況下的抑制機理是相同的.因此可以推測,吡啶開環(huán)是緩解吡啶生物抑制性的關鍵,光催化可以使大部分的吡啶開環(huán),提高了生物對吡啶的利用率.

表1 分別以葡萄糖和苯酚為主要基質時培養(yǎng)微生物細胞時的動力學參數

3 結 論

分別以葡萄糖和苯酚模擬生活污水和工業(yè)廢水進行生物處理,通過加入吡啶來模擬實際廢水處理過程中突發(fā)外來的難降解污染物對正常廢水處理過程中微生物活性的抑制情況.研究結果發(fā)現,以葡萄糖和苯酚為主要基質進行的微生物細胞培養(yǎng)中,一旦吡啶加入之后,都會對微生物的生長起到一定的抑制作用.但是若對吡啶進行紫外光催化之后,可以明顯降低吡啶對微生物的抑制作用.在苯酚為主要基質的生物培養(yǎng)過程中,對吡啶進行紫外光催化后,甚至還可以提高其可生化性.該實驗結果對實際污廢水的處理具有一定理論指導意義.

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(責任編輯：郁 慧)

AlleviatinginhibitionofpyridinetogrowthofmicrobialcellbymeansofUVphotocatalysis

Zhang Yuting,ZhangYongming*

(College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai200234,China)

Glucose and phenol as culture medium were respectively simulated multiple and industrial wastewater for culture of microbial cell,for which its kinetics could be described by Monod model.The microorganism growth was obviously inhibited once pyridine was put into the solution of glucose and pyridine and then their kinetics showed Aiba model.Correspondingly,their maximum specific growth rates (μmax) were respectively decreased by34% and25%.When the pyridine was photo-catalyzed before addition of the solution,the kinetics of microorganism growth were again Monod model,during which the maximum specific growth rates (μmax) reached at81% for glucose,and especially the maximum specific growth rates (μmax) were higher by38% for the phenol as the medium,compared with the pyridine without photocatalysis.

culture of microbial cell; photocatalysis; biological inhibition; kinetics

2017-04-05

上海市地方高校能力建設項目(201607050300)

張雨婷(1993-),女,碩士研究生,主要從事污水處理方面的研究.E-mail:zyt3307@126.com

導師簡介: 張永明(1958-),男,教授,博士生導師,主要從事水污染控制方面的研究.E-mail:zhym@shnu.edu.cn

X131.2

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:1000-5137(2017)04-0475-08

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