脫色菌藻聚生體系代謝組及固定化分析

肖映瑱，徐小琳,2*，湯偉華，侯勇博，郭德亮

(1 石河子大學化學化工學院/環(huán)境監(jiān)測與污染物控制兵團重點實驗室；2 兵團工業(yè)技術研究院，新疆 石河子 832000)

印染廢水中的殘余染料，排入江河中影響水中生物的生存。同時，有機物沉入水底，因厭氧分解產生各種有毒氣體影響人類健康[1]。蒽醌染料是常用的合成染料之一，用量約占總染料的30%～35%。

印染廢水處理方法主要有物理[2]、化學[3]和生物法[4]。其中生物法操作簡單、成本低廉[5]。Dawkar等[6]利用芽孢桿菌在12 h內去除廢水中80%的染料。但單一微生物脫色往往產生有毒的芳香胺或次級代謝物，甚至比母體染料更難降解[7]。復合微生物中不同菌株則可攻擊染料分子的不同位點，或對代謝物分步降解，去除更徹底。湯偉華等[8]利用小球藻與曲霉聚生體系相比單一藻種可有效提高染料去除率。Tengda等[9]利用代謝組學技術探究柵藻Scenedesmus和硅藻Naviculasp.對污水中葛蘭素內酯的去除，結果顯示柵藻和硅藻對葛蘭素內酯的去除率可達到72.9%-100%，代謝組學方法分析出葛蘭素內酯在微藻體中的代謝涉及到甲基化、羥基化等。Chen等[10]利用代謝組學方法分析小球藻Chlorellasorokiniana和細菌共培養(yǎng)去除廢水營養(yǎng)物，結果顯示，共培養(yǎng)處理和單一小球藻對廢水營養(yǎng)物去除率分別為94.4%和72%，已鑒定代謝物的PLS-DA推測共培養(yǎng)方法會促進小球藻的代謝水平。

由于游離微生物處理廢水存在生物量流失，系統運行不穩(wěn)定等問題。固定化細胞技術是目前常用的策略之一[11]，Ueno等[12]用網狀材料對菌株P.zopfii進行固定化，菌株能快速成膜，且反應穩(wěn)定。

本文以具備染料降解能力的曲霉Aspergillussp.XJ-2和小球藻C.sorokinianaXJK聚生體系為研究對象[8]，分析藻菌聚生體系形成前后，小球藻的代謝組變化，研究聚生體系提高染料去除率的機制；并以聚氨酯泡沫為載體，優(yōu)化固定條件，制備固定化菌藻聚生體系，為進一步開展光生物反應器的研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 菌株與材料

1.1.1 微生物

曲霉Aspergillussp.XJ-2和小球藻C.sorokinianaXJK由課題組自行篩選并保藏于石河子大學化學化工學院/環(huán)境監(jiān)測與污染物控制兵團重點實驗室。

1.1.2 微生物培養(yǎng)基

微藻培養(yǎng)基：改良BG11培養(yǎng)基，培養(yǎng)基配方見表1[13]；曲霉培養(yǎng)基：查氏培養(yǎng)基，培養(yǎng)基配方見表2[14]。

1.1.3 固定化材料

將聚氨酯泡沫、玉米芯和棉花秸稈切割成1×1×1 cm3形狀，泡沫篩選合格后，乙醇浸泡15 min，去離子水沖洗3次，恒溫60 ℃ 烘干24 h至恒重，待用；

1.1.4 模擬廢水(g·L-1)

0.1分散紅3B，0.38 NH4Cl，0.08 K2HPO4，0.03 KH2PO4，0.248 NaHCO3，0.5 葡萄糖(g)(表3)。

表1 BG11培養(yǎng)基配方

表2 曲霉培養(yǎng)基配方

表3 模擬染料廢水指標

1.2 實驗方法

1.2.1 菌藻聚生體系的構建

曲霉Aspergillussp. XJ-2密度為1.5 ×106cell mL-1，小球藻C.sorokinianaXJK密度為3.0 ×106cell mL-1，同時接種進分散紅3B模擬廢水，菌藻接種比例為1∶2，pH=6，溫度為25 ℃，轉速為160 r·min-1[15]。

1.2.2 小球藻代謝組學分析：

菌藻聚生體系以及單一小球藻對分散紅3B模擬廢水(0.1 g·L-1)脫色4 d。脫色后將單一小球藻和聚生體系洗脫的小球藻富集培養(yǎng)，然后每0.2 mL為一個樣品，編號兩組，每組6個樣品。單一小球藻樣品編號Group1(Z-1，Z-2，Z-3，Z-4，Z-5，Z-6)，聚生體系洗脫的小球藻樣品編號Group2(Z-7，Z-8，Z-9，Z-10，Z-11，Z-12)。進行代謝組學分析，按北京百邁克有限公司靶向代謝組學分析方法提取代謝物，安捷倫1290超高效液相-AB 5600 Triple TOF質譜儀進行分析。采用Analyst TF 1.7, AB Sciex軟件進行一級、二級質譜數據收集。在每個數據收集循環(huán)中，篩選出強度最強且大于100的分子離子進行采集對應的二級質譜數據。轟擊能量：30 eV。離子源參數如下：霧化氣壓(GS1)：60 Psi，輔助氣壓：60 Psi，氣簾氣壓：35 Psi，溫度：650 ℃，噴霧電壓：5 000 V或-4 000 V。

1.2.3 固定化聚生體系降解條件優(yōu)化

固定化材料的篩選：取2 g棉花秸稈、玉米芯、聚氨酯泡沫(Φ±0.3 cm)，分別投加入100 mL濃度為0.1 g·L-1分散紅模擬廢水，與滅菌鍋121 ℃滅菌20 min。

固定化載體投加量：接種孢子懸浮液濃度比為1∶2的菌藻聚生體系于100 mL模擬廢水當中，投加通過以上實驗選取的最適載體，投加量梯度為0.2、0.4、0.6、0.8 g·L-1。

固定化載體投加時間：接種孢子懸浮液濃度比為1∶2的菌藻聚生體系于100 mL模擬廢水當中，在最適投加量下，選擇載體投加時間梯度為0、6、12、24 h(其中0 h指同時投加聚氨酯泡沫與接種菌藻聚生體系)。

初始pH：接種孢子懸浮液濃度比為1∶2的菌藻聚生體系于100 mL模擬廢水當中，在最適投加量及投加時間條件下，設置pH梯度為4、5、6、7、8。

1.2.4 固定化聚生體系的耐受性研究

固定化聚生體系的耐鹽性：以優(yōu)化后固定化菌藻聚生體系，降解分散紅3B模擬廢水，廢水中調整NaCl濃度梯度為：5、10、15、20、25 g·L-1。

固定化聚生體系的染料濃度耐受性：以優(yōu)化后固定化菌藻聚生體系，降解分散紅3B模擬廢水，調整分散紅3B濃度梯度為：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g·L-1。

固定化聚生體系對模擬廢水中氨氮、TP和COD的去除：以優(yōu)化后固定化菌藻聚生體系降解分散紅3B模擬廢水，在150 mL錐形瓶中加入100 mL的濃度為0.1 g·L-1的分散紅模擬廢水。每隔24 h取樣，離心后測定上清液模擬廢水中氨氮、TP、COD的去除情況。每組實驗重復3次(表4)。

表4 營養(yǎng)物質測定方法

1.2.5 Zeta電位測定

選取優(yōu)化后固定化菌藻聚生體系，在150 mL錐形瓶里，對100 mL的分散紅3B(0.1 g·L-1)模擬廢水進行脫色處理4 d。每隔24 h取樣5 mL，模擬廢水自然沉降，然后取懸浮液在Zeta電位分析儀下測量其Zeta電位，每組實驗重復3次[19]。

1.2.6 測定方法

脫色率測定：將固定化菌藻聚生體系接入分散紅3B模擬廢水中后，放入恒溫振蕩器中培養(yǎng)，每隔1 d取樣10 mL，8 000 r·min-1離心10 min，取上清液，以未加入分散紅3B的模擬廢水為空白，在最大吸收波長590 nm下測定其吸光度值的大小，用公式(1)計算脫色率[20]：

脫色率D(%)=(D0-Dx)/D0×100%。

(1)

式中：D0-t=0 h分散紅3B染料的最大吸光度；Dx-t=x h分散紅3B時染料的最大吸光度。

生物量測定：在最適條件下利用固定化菌藻聚生體系處理模擬染料廢水4 d，每24 h取樣100 mL(整瓶樣品)進行抽濾10 min，然后用蒸餾水清洗三次，在70 ℃干燥2 h至恒重，用感量0.1 mg天平準確稱重。

固定化菌藻聚生體系生物量(g·L-1)m=(mx-m0- m1)/100×1 000。

(2)

式中：m0= 濾紙質量；m1= 聚氨酯泡沫質量；mx=干燥后樣品總質量。

2 結果與分析

2.1 代謝組學樣品分析

2.1.1 主成分分析

采用PCA分析方法分別對單一小球藻(Group1)和聚生體系小球藻(Group 2)進行樣品檢測，由圖1可知Group1和Group 2的樣品具有顯著的差異，說明單一小球藻和聚生體系小球藻之間的代謝物差異較明顯。Group1和Group 2的組內樣品差異性不大，相對而言Group 2樣品之間差異性更小。

圖1 單一小球藻及聚生體系小球藻樣品PCA分析

為充分分析單一小球藻和聚生體系小球藻樣品中代謝物的差異信息，篩選不同的差異代謝物，需進一步采取OPLS-DA模型進行驗證。由圖2A可知，Group1 vs Group 2中的樣品點均勻地分布在兩個不同的區(qū)域，且各自成簇。說明單一小球藻和聚生體系小球藻樣品中代謝產物的含量和種類存在顯著差異。圖2A中R2X和R2Y均大于0.5并且Q2大于0.9，表明該模型具有較好的擬合性和預測性。

同時采用最小二乘法判別分析置換檢驗OPLS-DA模型可靠性，避免出現過擬合現象。圖2B中橫坐標對應置換檢驗的值，軸坐標為Q2或R2的值，從圖中可以看出，R2值趨近與1，說明該模型符合樣品的真實數據。Q2為0.005小于0.5，說明原模型未出現過擬合現象，并且穩(wěn)定性良好。

A:OPLS-DA得分圖;B:OPLS-DA檢驗結果圖。圖2 模型驗證

2.1.2 差異代謝物篩選

以Pvalue< 0.05和VIP>1為條件篩選差異性代謝物，差異代謝物篩選結果如圖3所示：436種差異性代謝物中有242種代謝物無明顯變化，129種代謝物顯著上調，65種代謝物顯著下調。對樣品代謝物進行l(wèi)og2處理后，其中能明確性質的代謝物有34種，主要包括：糖類5種、氨基酸6種、脂肪酸5種和18種其他類型代謝物。Group1 vs Group 2時，Group 2中糖類代謝產物均有不同程度的提升，并且檢測出Group 2中月桂酸(lauric acid)，棕櫚油酸(palmitoleic acid)，亞麻酸(linolenic acid)等油脂含量均有一定程度提升，表明菌藻聚生體系內真菌XJ-2對小球藻XJK的產油脂能力有一定輔助作用。Group 2中丙酮酸(Pyruvic acid)代謝量下降了2.42倍，研究發(fā)現大量的芳香族化合物降解過程會產生丙酮酸，小球藻中丙酮酸代謝表達量下調，有利于染料分子的降解。

同時，Group 2中山梨糖醇(sorbitol)上調2.5倍，海藻糖(trehalose)上調1.53倍，研究表明sorbitol和trehalose都參與了磷酸鹽的轉運，同時可以在磷酸鹽轉移酶作用下運送到小球藻細胞內，即提高小球藻去除廢水中磷的能力。由表5可知Group 2中大部分氨基酸如鳥氨酸(ornithine)，賴氨酸(lysine)和異亮氨酸(Isoleucine)代謝表達量均有提高，但L-谷氨酸(L-glutamic acid)代謝表達量下調。谷氨酸作為小球藻光合作用過程中重要代謝物之一，對小球藻細胞的生長起到很大作用。由于真菌XJ-2抑制了小球藻XJK體內合成L-谷氨酸的能力，從而小球藻XJK需要吸收更多胞外氮源形成L-谷氨酸，來滿足自身光合作用所需營養(yǎng)，由此推測聚生體系有助于提高小球藻去除廢水中氮的能力。

圖3 小球藻樣品的差異代謝火山圖

通過代謝組分析可知，菌藻聚生體系中真菌的引入，使得藻類的代謝產物有明顯改變，對與染料降解脫氮除磷均有一定的輔助，菌藻體系在污水處理中有很好的應用潛力，但游離微生物存在生物量流失，系統運行不穩(wěn)定等問題。因此，擬采用固定化技術改善聚生體系的應用性能(表5)。

表5 Group 2顯著差異性代謝化合物統計表

2.2 菌藻聚生體系的固定化

2.2.1 固定化載體的選擇

選取2種植物廢棄物(玉米芯、棉花秸稈)及一種合成有機高分子材料聚氨酯泡沫。通過對比固定化后脫色率、負載情況等指標，選擇合適的固定化載體(圖4)。

A：不同固定化載體脫色率；B：固定化聚生體系脫色模擬廢水4 d后照片。圖4 不同載體材料負載聚生體系后對模擬廢水脫色情況

結果如圖4A所示，不同固定化載體對脫色率有一定的影響，當固定化載體為聚氨酯泡沫和玉米芯時，脫色率在第3 d均達到98.5%以上，但是當固定化載體為棉花秸稈時，固定化菌藻聚生體系在第2 d時發(fā)生了脫附現象，由79.7%下降至8%。因此以下研究選擇聚氨酯泡沫和玉米芯進行對比。脫色四天后，可明顯觀察到模擬染料廢水色度降低至無色透明，固定化聚生體系沉降在容器底部(圖4B)。

2.2.2 固定化載體的優(yōu)化

在固定化菌藻聚生體系對模擬廢水處理過程中，固定化材料的選擇、投加量、投加時間和pH都會對模擬廢水的脫色有一定的影響，采用單因素法對模擬廢水的脫色條件進行優(yōu)化。

首先改變聚氨酯泡沫和玉米芯載體的投加量，通過對比固定化后的脫色率，選擇最終適合的載體。結果如圖5所示，當聚氨酯泡沫的投加量為0.8 g·L-1時，固定化菌藻聚生體系的脫色率達到98.5%，并且未發(fā)生脫附現象，較為穩(wěn)定。而玉米芯投加量由0.2 g·L-1提高至0.8 g·L-1時，脫色率由95%下降至62.5%，隨著投加量增加發(fā)生了脫附現象。

對比棉花秸稈和玉米芯這兩種生物質來源的載體，雖然染料去除率可達90%以上，也可作為備選載體進行菌株固定化，但其有機碳含量較高，在培養(yǎng)體系中可為微生物提供一定的碳源，在一定程度上有助于其他雜菌的生長，其自身結構發(fā)生一定變化，本研究中均發(fā)生脫附現象，影響染料脫色效率。因此選擇聚氨酯泡沫作為固定化載體。

圖5 聚氨酯泡沫和玉米芯投加量對模擬廢水脫色影響

由于菌-藻聚生體系進行脫色過程中生物量同時不斷增加，會形成具有一定空間體積的球狀菌絲體，在進行固定化時，不同大小的菌絲體在特定孔徑聚氨酯泡沫載體上的固定化載量可能有所不同，因此考察了載體的投加時間，通過對比固定化后的脫色率和固定化載量，選擇適宜的投加時間。由圖6可知，當同時投加聚氨酯泡沫與接種菌藻聚生體系時(即所設投加時間0 h)，固定化菌藻聚生體系對分散紅3B的脫色率達到98.5%(4 d)，同時生物量增加到4.51 g·L-1。此結果優(yōu)于另外3組延遲投加載體的實驗組。說明真菌類微生物固定化過程中，菌絲體大小于固定化載量有一定相關性。另外，同時投加固定化載體，可為快速生長的聚生體提供附著，提高菌藻聚生體系的抗剪切力、穩(wěn)定性，從而有助于生物量積累以及染料的降解。本研究中對比幾種投加時間，同時投加聚氨酯泡沫載體和菌藻聚生體系更有利于染料的脫色。

圖6 聚氨酯泡沫投加時間對模擬廢水脫色影響

通過改變模擬廢水的pH值，對比不同pH值下的脫色率，結果如圖7A所示。

A：固定化菌藻體系和游離菌藻體系脫色率對比；B:固定化菌藻聚生體系在最優(yōu)pH下脫色率和生物量的變化。圖7 不同pH對菌藻聚生體系染料脫色的影響

在初始pH為6時，固定化菌藻聚生體系對分散紅3B的脫色率相對最高達98.8%。對比游離的菌藻聚生體系，經固定化后，菌藻聚生體系在不同pH的脫色率菌高于相應的游離狀態(tài)，固定化對于聚生體系對酸堿的耐受范圍擴大。最優(yōu)條件下同時考察脫色率及脫色過程中生物量的變化，結果如圖7B所示。優(yōu)化后固定化菌藻聚生體系對分散紅3B脫色過程中，其生物量在24 h內達到穩(wěn)定期，同時脫色率達到較高水平，4 d后脫色率和生物量分別達到了98.8%和4.51 g·L-1。通過對脫色條件的初步優(yōu)化，該固定化菌藻聚生體系對分散紅3B模擬廢水的脫色效率有所提高。

通過以上條件優(yōu)化，固定化菌藻聚生體系在菌藻接種比例為1∶2，固定化載體與菌藻聚生體系同時投加，初始pH為6，溫度為25 ℃，轉速為160 r·min-1條件下，其對模擬廢水脫色效果較好，4 d后對分散紅3B的脫色率可達98.8%。

2.3 固定化聚生體系降解性能研究

2.3.1 固定化聚生體系耐鹽性的研究

實際印染廢水中往往含鹽量較高，因此處理印染廢水的微生物，其耐鹽性為重要指標之一。比較固定化菌藻聚生體系和游離菌藻體系在去除分散紅3B的過程中的耐鹽性，結果如圖8所示。在鹽濃度達10 g·L-1時，固定化菌藻聚生體系脫色率仍保持96.5%，但游離菌藻體系脫色率降低至66.2%?？梢钥闯龉潭ɑ螅捎谳d體的保護，對菌藻聚生體系的穩(wěn)定有一定輔助作用，相對游離菌藻聚生體系，固定化后其能耐受更高的鹽度，其高鹽濃度下對分散紅3B依然保持較高的脫色率。Jiang等[21]采用Fe3O4-藻酸鈣珠包埋固定Debaryomycessp.在1%鹽濃度下，40 h內可以完全降解苯酚廢水。當鹽濃度增加到9%時，固定化細胞72 h降解率超過99%，而游離細胞降解率僅為30.6%，可以看出固定化技術可以有效提高生物處理含鹽廢水效能。

圖8 固定化菌藻體系和游離菌藻體系在不同NaCl濃度下模擬廢水脫色率

2.3.2 固定化聚生體系染料濃度耐受性

實際廢水中染料濃度通常有一定的波動，處理染料廢水的微生物體系應對染料濃度有一定的耐受能力才能在實際生產中進行應用。本論文考察了不同染料濃度下，聚生體系的對染料的去除能力，結果如圖9所示。隨著染料濃度的逐漸升高，固定化聚生體系的染料脫色率逐漸降低，但當分散紅3B濃度達到0.5 g·L-1時，固定化菌藻聚生體系4 d后脫色率仍能維持在90%，而游離態(tài)聚生體系脫色率下降相對較快。經過固定化之后，此聚生體系對染料濃度的波動耐受性有所提高。與本研究結果類似，黃文媛等[22]采用聚氨酯泡沫固定化產堿桿菌Alcaligenessp.DN25處理苯酚廢水，結果表明在高濃度苯酚廢水情況下，游離菌體完全受到抑制，而固定化產堿桿菌Alcaligenessp.DN25仍可以在66 h左右對其進行高效處理。可見固定化方法可有效提高菌體穩(wěn)定性和對高濃度污水處理能力。

圖9 固定化聚生體系和游離聚生體系在不同染料廢水濃度下模擬廢水脫色能力

2.3.3 固定化聚生體系對污染物的去除

污水處理中COD、TP、氨氮處理也是達標排放的重要指標，污染水體中染料去除的同時，還需要同時考慮其它污染物的去除，因此本研究還考察了固定化菌藻聚生體系對廢水中COD、TP、氨氮的去除。結果如圖10所示。

固定化菌藻聚生體系處理模擬廢水4 d后，廢水中COD、TP、氨氮去除率分別達到了85.5%、89.3%、89.4%?？梢钥闯觯摴潭ɑ寰凵w系對于模擬廢水中的營養(yǎng)物質也具有良好的去除能力。因此該體系在實際廢水的處理中具有很好的應用前景。

2.4 固定化菌藻聚生體系的Zeta電位變化

Zeta電位是一種測量的是微生物表面電位的方法。Zeta電位的絕對值越高，則表明水溶液里固定化微生物體系越穩(wěn)定，微生物更容易穩(wěn)定的分散在水溶液里；而如果Zeta電位絕對值越低，則表明水溶液里的微生物體系越不穩(wěn)定，微生物更容易發(fā)生絮凝作用。

本研究對脫色過程中聚生體系的Zeta電位進行了測定，結果如圖11所示，5 d中固定化菌藻聚生體系Zeta電位一直穩(wěn)定在0 mV上下，而游離菌藻聚生體系的Zeta電位波動較大，說明固定化后載體對菌藻聚生體系起到很好的附著和支撐作用，相對游離體系更加穩(wěn)定。

對比固定化菌藻聚生體系和游離體系的脫色效率，固定化后菌藻聚生體系脫色效率更高，說明穩(wěn)定性提高，有助于微生物與可溶性污染物充分接觸，固定化對體系穩(wěn)定和脫色率提高有一定的促進作用。

圖10 固定化聚生體系對水體中污染物的去除率(COD、TP、氨氮)

圖11 模擬廢水脫色過程中聚生體系表面Zeta電位的變化情況

2.5 固定化聚生體系的重復批次

為考察固定化菌藻聚生體系重復利用情況，對將該體系重復用于染料的脫色。結果如圖12所示。游離菌藻聚生體系脫色率下降較快，3 d后可見菌藻體系結構松散嚴重，培養(yǎng)液變渾濁。而聚生體系重復脫色3次時，能保持較好的完整性和較高的脫色率，脫色率維持在90%以上；但隨著重復使用次數的增加，固定化菌藻聚生體系對模擬廢水脫色率逐漸下降，5次后，該體系對分散紅3B的脫色率從最初的95%下降至64%，肉眼可見固定化結構出現松散現象，培養(yǎng)液濁度有所提高。寧立群等[23]將白腐真菌吸附固定在植物材料對酸性黑ATT進行脫色，結果表明連續(xù)脫色5次后脫色率仍能保持在89%以上。吳義誠等[24]采用納米Al2O3-海藻酸鈉固定小球藻去除廢水中總磷，固定化菌體重復使用3次時，總磷去除率仍可以達到77.51%。由此可見，通過固定化技術有助于菌藻聚生體系結構完整，為生物處理廢水的長效、穩(wěn)定提供了有利條件。固定化方法的建立為微生物在廢水處理中的實際應用提供保障。

圖12 固定化菌藻聚生體系重復使用的脫色率

3 結論

(1)代謝組分析表明，聚生體系小球藻相對于單一小球藻，糖類化合物、氨基酸、脂肪酸等差異性代謝物均有不同程度的提高，聚生體系中真菌和小球藻存在互作作用，真菌對小球藻代謝水平的作用有助于小球藻對污染的降解。

(2)適用于該聚生體系的固定化載體為聚氨酯泡沫，固定化菌藻聚生體系相對游離體系，具有更強的適應性，結構更加穩(wěn)定，對蒽醌染料分散紅3B脫色效率相對提高，同時能有效去除COD、TP、氨氮等污染物，且能耐受一定的鹽濃度和染料濃度波動的沖擊，并且可以多次重復利用便與回收和規(guī)?；褂?。