固定化白腐真菌對復(fù)合污染廢水的處理

黃仕元，李勝，王振宇，林森煥，鄧簡

(南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421000)

抗生物殘留可能導(dǎo)致耐藥基因的產(chǎn)生與傳播，對生態(tài)安全和人類健康存在潛在危害，是新型污染問題中最受關(guān)注的問題之一[1-2]。氟喹諾酮類抗生素使用后大部分會隨尿液排出，是醫(yī)院廢水中含量較多的一類[3-4]。我國氟喹諾酮類抗生素使用量中諾氟沙星(NOR)占比很大。重金屬生物毒性大，可在環(huán)境中長期存在且容易蓄積，進(jìn)入人體后很難被代謝排出。

白腐真菌木質(zhì)素酶高效、非特異性降解的特點使其廣泛應(yīng)用于廢水處理研究[5]，另其細(xì)胞壁上含有大量官能團可與重金屬離子絡(luò)合[6]。因此本研究以白腐真菌模式菌種黃孢原毛平革菌為對象，研究其處理NOR和Cd2+復(fù)合污染廢水的效果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

諾氟沙星、氯化鎘、葡萄糖、磷酸二氫鉀等均為分析純；菌種來源：黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium，BKMF-1767(CCTCC AF96007))購買自中國武漢菌種保藏中心。

IS-RDD3恒溫振蕩培養(yǎng)箱；GI54TW立式自動壓力蒸汽滅菌鍋；UV-2000紫外可見分光光度計；Agilent 1260高效液相色譜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 黃孢原毛平革菌對NOR和Cd2+的耐受性 分別制備含不同濃度(0，100，200，300，500 μg/L)的NOR和Cd2+的固體培養(yǎng)基(土豆培養(yǎng)基)，滅菌后分裝至直徑100 mm的培養(yǎng)皿中，冷卻凝固后靜置24 h，確保無污染后在無菌操作臺點種黃孢原毛平革菌，在恒溫培養(yǎng)箱30 ℃條件下培養(yǎng)96 h，每 24 h 觀察測定培養(yǎng)皿中菌落直徑。

1.2.2 模擬廢水的制備 配制含NOR和Cd2+的液體培養(yǎng)基作為模擬廢水，其中NOR和Cd2+的濃度均為100 μg/L。液體培養(yǎng)基參照Kirk培養(yǎng)基配制[7]：10 g葡萄糖(C6H12O6)，0.375 g MgSO4，2 g KH2PO4，0.2 g酒石酸銨(C4H12N2O6)，0.1 g CaCl2，2 mg維生素B1，0.006 4 g CuSO4，1 g/L吐溫80，微量元素液20 mL，用蒸餾水定容至1 L，酒石酸緩沖液(20 mmol/L)調(diào)節(jié)pH。

1.2.3 制備固定化黃孢原毛平革菌菌球 稱取一定量的海藻酸鈉、沸石粉、粉末活性炭和二氧化硅在500 mL去離子水中充分混合均勻形成凝膠溶液。將黃孢原毛平革菌菌懸液與滅菌完成的凝膠劑溶液混合均勻，逐滴滴入CaCl2交聯(lián)溶液中，交聯(lián)2 h后過濾，用滅菌后的生理鹽水沖洗若干次后分裝至含適量液體培養(yǎng)基的錐形瓶中，在恒溫振蕩培養(yǎng)箱 30 ℃、150 r/min的條件下培養(yǎng)72 h后得固定化黃孢原毛平革菌小球(簡稱固定化黃孢菌菌球)。

1.2.4 固定化黃孢菌菌球?qū)OR和Cd2+的去除 分別考察不同投加量、葡萄糖濃度和Mn2+濃度條件下，固定化黃孢菌菌球?qū)OR和Cd2+的去除效果。

1.2.4.1 投加量 稱取不同投加量(1，5，8，10，14 g)的固定化黃孢菌菌球加入裝有模擬廢水的錐形瓶中，溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min搖床下處理，過濾離心取上清液測定NOR和Cd2+的濃度。

1.2.4.2 葡萄糖濃度 配制葡萄糖含量分別為0，3，5，10 g/L的模擬廢水，取一定量的固定化黃孢菌菌球分別加入裝有模擬廢水的錐形瓶中，溫度 30 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min搖床下處理，過濾離心取上清液測定NOR和Cd2+的濃度。

1.2.4.3 Mn2+濃度 配制Mn2+濃度分別為0，0.01，0.1，0.5 mmol/L的模擬廢水，取一定量的固定化黃孢菌菌球分別加入裝有模擬廢水的錐形瓶中，溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min搖床下處理，過濾離心取上清液測定NOR和Cd2+的濃度。

1.3 分析方法

Cd2+的含量選用原子吸收分光光度計測定。NOR的含量選用高效液相色譜法測定，所用色譜柱：SHISEIDO C18 MG(250 mm×4.6 mm，5 μm)，色譜工作條件：柱溫40 ℃，進(jìn)樣量10 μL，流速 1.0 mL/min，流動相為0.04 mol/L磷酸溶液-三乙胺和甲醇(80∶20，v/v)，波長280 nm，濾膜過濾。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃孢原毛平革菌對模擬廢水的耐受性

為考察黃孢原毛平革菌對NOR和Cd2+復(fù)合污染的耐受性，將其分別接種于添加了不同濃度(0，100，200，300，500 μg/L)的NOR和Cd2+的無菌固體培養(yǎng)基，觀察測定黃孢菌菌落直徑(圖1)。

圖1 菌落大小隨時間的變化

由圖1可知，隨培養(yǎng)時間延長，各培養(yǎng)基上黃孢菌菌落直徑不斷增大，96 h均長滿整個平板。未添加NOR和Cd2+的培養(yǎng)基菌落增長速度大于其他培養(yǎng)基，說明添加了NOR和Cd2+的培養(yǎng)基中菌落生長受到了抑制。而加入NOR和Cd2+的各培養(yǎng)基菌落增長速度差異很小，濃度為100 μg/L的培養(yǎng)基菌落略微大于其他濃度的培養(yǎng)基，說明黃孢原毛平革菌對較高濃度的NOR和Cd2+較敏感，因此本實驗?zāi)M廢水中NOR和Cd2+濃度選用100 μg/L。

2.2 不同投加量對NOR和Cd2+去除效果的影響

圖2是不同投加量對模擬廢水中Cd2+去除效果影響的實驗結(jié)果。當(dāng)固定化黃孢菌菌球投加量分別為1，5，8，10，14 g時，Cd2+的去除率最高分別約50%，70%，82%，86%，93%，而投加8 g固定化無菌小球的去除率45%左右。

圖2 投加量對鎘離子去除的影響

由圖2可知，Cd2+的去除率隨固定化黃孢菌菌球投加量增加而增大，但投加量增加到一定程度后Cd2+去除率無顯著變化，相對吸附量降低。有研究報道過鎘離子去除的類似現(xiàn)象[8-9]，這可能是因為黃孢菌菌球投加量增加后吸附位點或者表面積增加，所以Cd2+去除率隨之增加；但是投加量進(jìn)一步增加后，黃孢菌菌球容易團聚而使有效表面積減少，表面官能團有效利用率下降，從而導(dǎo)致去除效果無顯著變化。

固定化黃孢菌菌球投加量對NOR的降解影響與其對Cd2+的吸附影響類似(圖3)。

圖3 投加量對諾氟沙星去除的影響

當(dāng)投加量分別為1.0，5.0，8.0，10.0，14.0 g時，去除率最高分別約為60%，75%，90%，94%，96%。投加8 g固定化無菌小球的去除率僅30%左右，說明固定化載體海藻酸鈉等對NOR有吸附去除的效果，但生物降解是NOR去除的主要方式。投加量大于8 g時，投加量增加NOR去除率無顯著變化，這可能跟葡萄糖的含量和諾氟沙星的濃度有關(guān)。有研究表明，葡萄糖作為容易微生物直接利用的低分子有機物，在共代謝過程中對目標(biāo)污染物的降解有一定程度的促進(jìn)作用[10]。在模擬廢水中葡萄糖既作為營養(yǎng)物質(zhì)，也作為共代謝有機物參與諾氟沙星的降解，共代謝作用可能隨葡萄糖濃度降低而減弱；而模擬廢水中諾氟沙星降解到較低濃度水平后，微生物可能無法進(jìn)行進(jìn)一步降解。

2.3 不同葡萄糖濃度對NOR和Cd2+去除效果的影響

圖4是不同葡萄糖濃度對模擬廢水中Cd2+去除效果影響的實驗結(jié)果。

圖4 葡萄糖濃度對鎘離子去除的影響

由圖4可知，葡萄糖含量為0 g/L時，鎘離子去除率在45%左右；葡萄糖含量為3，5，10 g/L時，Cd2+去除率最高分別約67%，75%，82%。葡萄糖濃度對Cd2+去除率的影響主要體現(xiàn)在黃孢菌的生長上。葡萄糖濃度增加，黃孢菌菌球上菌絲生長，比表面積增大，有利于對鎘離子的吸附。

葡萄糖濃度對諾氟沙星的降解效果影響較明顯(圖5)。不添加葡萄糖的模擬廢水中，NOR去除率很低，添加了葡萄糖的模擬廢水中NOR去除率隨濃度增加逐漸增大。葡萄糖濃度為3，5，10 g/L時，諾氟沙星去除率最高分別約36%，60%，91%。葡萄糖濃度增加，黃孢菌生長繁殖良好，可穩(wěn)定分泌木質(zhì)素降解酶以保證NOR的降解；另一方面可能是由于葡萄糖共存條件下的共代謝作用促進(jìn)了NOR的降解。

圖5 葡萄糖濃度對諾氟沙星去除的影響

2.4 不同Mn2+濃度對諾氟沙星和Cd2+去除效果的影響

圖6是不同錳離子濃度下對模擬廢水中Cd2+去除效果影響的實驗結(jié)果，結(jié)果顯示Mn2+對Cd2+的去除效果無明顯影響。

圖6 二價錳離子對鎘離子去除的影響

圖7為不同Mn2+濃度對NOR去除率的影響，錳離子濃度為0，0.01，0.1，0.5 mmol/L時NOR降解率分別約為39%，78%，90%，60%。NOR去除率隨Mn2+濃度增加而增大，增大到一定濃度后繼續(xù)增加時去除率反而下降。這可能是因為Mn2+是錳過氧化物酶的活性元素，能調(diào)節(jié)錳過氧化物酶的合成，合適的錳離子濃度能促進(jìn)NOR的降解[11-12]，但較高濃度的錳離子可能對黃孢原毛平革菌有毒性從而抑制NOR的降解。

圖7 二價錳離子對諾氟沙星去除的影響

3 結(jié)論

本實驗以白腐真菌模式菌種黃孢原毛平革菌為研究對象，在鎘和諾氟沙星復(fù)合污染培養(yǎng)下，研究了黃孢原毛平革菌對模擬復(fù)合污染廢水的耐受性，考察了海藻酸鈉固定化黃孢原毛平革菌對模擬廢水的處理的影響因素，實驗主要結(jié)論如下：

(1)諾氟沙星和鎘離子復(fù)合污染對黃孢原毛平革菌的生長有一定抑制作用，黃孢原毛平革菌對較高濃度的NOR和Cd2+敏感性稍強，生長速度慢于添加NOR和Cd2+濃度較低的培養(yǎng)基，在培養(yǎng)時間內(nèi)黃孢原毛平革菌菌落也長滿了整個平板。

(2)海藻酸鈉固定化黃孢原毛平革菌處理模擬復(fù)合污染廢水影響因素實驗中：最佳投加量為 8 g/L，最佳葡萄糖初始濃度為10 g/L，最佳Mn2+初始濃度為0.1 mmol/L；Cd2+去除率最高為82.11%，NOR去除率最高為90.42%。

實驗結(jié)果說明海藻酸鈉固定化黃孢原毛平革菌對于重金屬和有機物復(fù)合污染類型有一定的修復(fù)潛力，具有研究意義和應(yīng)用前景。