低强度超声波强化生物降解硝基苯的研究.pdf

经 验 交 流 低强度超声波强化生物降解硝基苯的研究 * 袁源金若菲周集体 工业生态与环境工程教育部重点实验室，大连理工大学化工与环境生命学部，辽宁 大连 116024 摘要 考察了三株硝基苯降解菌 R． mucilaginosa、 S． albidoflavus 和 M． luteus 在不同超声条件下其降解性能的变化。实 验结果表明 超声功率 180 W， 频率 35 kHz， 作用时间 1 5 min 时， 能有效地提高硝基苯降解菌的降解率。在最佳超声 条件下， 与对照组相比， 培养 96 h 后， 三株菌的降解率分别提高了 11. 3 、 7. 9 和 1. 3 。通过连续实验发现超声开 始作用的时间分别为 15， 17， 16 h。对于菌株 Z1 和 Z2， 超声波持续作用的时间分别为 52 h 和 5 h， 对菌株 Z3 作用不明 显， 可知低强度超声波并不会对所有菌株的生物降解过程都起到强化作用。三株菌对硝基苯的降解均符合 Andrews 非竞争性底物抑制模型， 且超声组各动力学参数较对照组均有所提高。低强度超声波对三株菌在动力学上的强化效 果依次为 Z1 ＞ Z2 ＞ Z3。 关键词 低强度超声波;强化;硝基苯 STUDY ON DEGRADATION OF NITROBENZENE ENHANCED BY LOW INTENSITY ULTRASOUND Yuan YuanJin RuofeiZhou Jiti Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering MOE ，School of Environmental Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China AbstractIn this paper the low-intensity ultrasound LIUgroup and the control group were employed to investigate the microbial degradation of NB with Rhodotorula mucilaginosa Z1，Streptomgces albidoflavus Z2 and Micrococcus luteus Z3 under different conditions． The operation conditions were optimized as 35 kHz，180 W and 1 5 min for irradiation． Compared to control group，the NB removals in LIU group were increased by 11. 3 ，7. 9 and 1. 3 in 96 h and the initial ultrasound effects were observed at 15 h，17 h and 16 h in continuous experiments，respectively． For Z1 and Z2，the effect duration was 52 h and 5h．No obvious duration on Z3 indicates that LIU can not improve all the microbial degradation of NB．The degradation curves fit the Andrews model well，and the kinetic parameters were improved by ultrasound． The low intensity ultrasound has different effect on the three strains in kinetics． Keywordsnitrobenzene;low intensity ultrasound;enhacement * 国家自然科学基金 资助项目 508082029 ; 中国博 士 后 基 金 项 目 200902538 。 0引言 硝基苯作为有机合成的重要原料， 广泛应用于染 料、 炸药、 润滑剂、 苯胺和塑料的生产中 ［1］。因其具 有高毒性、 难降解性和环境积累趋势， 被列入世界 环境优先控制有毒有机污染物 的名单中 ［2］。随着 化工工业的发展， 对硝基苯的需求呈明显上升趋势， 因此进入环境的量也会增多 ［3］。硝基苯废水治理技 术的研究日益引起人们的关注。 生物法处理含硝基苯的废水是当前应用最为广 泛的方法 ［4］。由于好氧菌更易于分离， 同时有利于 深入研究其生物降解机理和遗传调控机制， 因此硝基 苯的好氧生物降解一直是研究的热点 ［5］。对于硝基 苯的好氧降解主要包括两种途径 好氧氧化途径和好 氧部分还原途径 ［6， 11- 12］。研究同时表明， 大多数硝基 苯的降解途径为好氧部分还原途径 ［6］。近年来， 很 多研究表明， 在生物处理过程中引入低强度超声波能 够强化难降解有机污染物的降解效果 ［7］。其作用机 理主要是利用低强度超声波的稳态空化作用改变细 胞膜通透性， 加快细胞内外物质交换、 传输和可逆渗 透， 从而改变细胞生长速率， 提高生物重量。 99 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 1实验材料 1. 1实验用菌株 实验中用到的三株菌分别为 R． mucilaginosa Z1 GenBank 中登陆序列号为 DQ778627，S． albidoflavus Z2 GenBank 中登陆序列号为 DQ855477 和 M． luteus Z3 GenBank 中登陆序列号为 DQ855476 ［8］， 三株菌 分属不同菌属， 均为本实验室分离纯化并鉴定。以下 简称 Z1， Z2 和 Z3。 1. 2生长培养基 0.5 g/L酵母浸粉， 1.0 g/L蛋白胨， 7.0 g/LNa2HPO4 12H2O， 1. 0 g/L KH2PO4， 0. 01 g/LCaCl22H2O， 0. 02 g/LMgSO4 7H2O， 0. 002 g/L柠檬酸铁， pH 7. 0。 1. 3降解培养基 480 mg/L硝基苯， 7. 0 g/LNa2HPO412H2O， 1. 0 g/LKH2PO4， 0. 01 g/LCaCl22H2O， 0. 02 g/LMgSO4 7H2O， 0. 002 g/L柠檬酸铁， pH 7. 0。 2实验方法 2. 1硝基苯降解菌的富集培养及驯化 将保藏在 －80 ℃ 冰箱中的三株硝基苯降解菌活 化后， 接入生长培养基中， 在30 ℃、 pH 7. 0、 摇床转速 为 150 r/min 的条件下进行富集培养， 连续测定菌密 度， 当 OD660值达到 0. 6 ～ 0. 7 时， 离心， 用 Na2HPO4- NaH2PO4缓冲溶液 0. 02 mol/L，pH 7. 0 洗涤 3 次 后， 收菌， 投加到降解培养基中进行进一步驯化培养， 连续测定其菌密度和对硝基苯的降解率， 当三株菌的 OD660值均处于 0. 7 ～ 0. 8 时， 离心收菌备用。 2. 2最佳超声条件的确定 将驯化后的菌株投加到降解培养基中， 引入低强 度超声波， 分别选取不同超声功率 100， 120， 140， 160， 180， 200 W 、 作用温度 25， 30， 35 ℃ 和作用时 间 5， 10， 15 min ， 进行正交实验。超声作用后， 在最 适生长条件下进行摇床培养， 测定 96 h 时的降解率， 以不加超声的作为对照组， 得出最佳的超声条件。 2. 3超声开始发生作用的时间确定 为确定超声开始发生作用的时间， 将驯化后的菌 株投加到降解培养基中培养， 在最佳超声条件下进行 超声干预， 连续测定 96 h 内硝基苯的降解率， 以不加 超声的为对照组， 比较二者的降解率。 2. 4超声持续发生作用的时间确定 为确定超声持续作用的时间， 将驯化后的菌株投 加到降解培养基中培养， 在最佳超声条件下进行超声 干预， 连续考察对硝基苯的降解情况， 以不加超声的 为对照组。第一次降解实验结束后， 将菌体离心分 离， 再次投加到降解培养基中重复上述实验， 直到两 组菌株的降解情况趋于一致， 此时累加的时间就是超 声持续作用的时间。 2. 5硝基苯降解菌的动力学研究 在降解培养基中， 加入不同初始浓度的硝基苯， 在最佳超声条件下进行超声干预后， 于不同时间取 样， 测定培养基中硝基苯的浓度和生物量， 由实验数 据求出相应的硝基苯比降解速率 q h － 1 ， 并对所求 数据和初始浓度进行非线性回归， 求出模型参数， 以 不加超声的作为对照组。 2. 6分析方法 采用紫外可见分光光度计测定硝基苯浓度 ［9- 10］， 在最大吸收波长 λ 268nm， 测定其吸光度， 求得质量 浓度与 吸 光 度 关 系 的 回 归 方 程 为 y 0. 0157x 0. 0141， R2 0. 999。 硝基 苯 的 降 解 率 降 解 率 A0－ A /A0 100 ， 式中 A0为硝基苯初始浓度， A 为反应后浓度。 3结果与讨论 3. 1最佳超声条件的确定 三株硝基苯降解菌最佳超声条件见表 1。超声 波对硝基苯降解性能影响见图 1。 表 1三株硝基苯降解菌的最佳超声条件 菌株超声频率 /kHz超声功率 /W温度 / ℃作用时间 /min Z1251802515 Z225160255 Z3251802515 图 1超声波对硝基苯降解菌降解性能的影响 研究表明， 将低强度超声波引入生物处理过程， 可促进难降解有机物的降解 ［13］。通过正交实验发 现， 在表 1 所示超声条件下， 超声强化效果最明显， 三 株菌对硝基苯的降解率最高， 在 96 h 内对硝基苯的 降解率分别为 84. 2 、 76. 4 和 65. 8 ， 如图 1 所 示， 与没有施加超声的对照组相比， 降解率分别提高 11. 3 、 7. 9 和 1. 3 。低强度超声波的引入， 对三 001 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 株菌生物降解过程的强化效果依次为 Z1 ＞ Z2 ＞ Z3， 同时表明超声波对不同菌株的强化效果也不同， 可能 是超声对在降解过程中起关键作用的酶产生的影响 不同， 从而导致对硝基苯的生物降解强化效果不同。 a菌株 Z1; b菌株 Z2; c菌株 Z3 图 2菌株超声组和对照组在 96 h 内对硝基苯的降解率 3. 2超声开始发生作用的时间确定 低强度超声波具有稳态空化作用， 可以改变细胞 膜的通透性， 从而加快传质， 影响微生物的生长。在 施加超声波的初期， 虽然微生物受到来自外界的刺 激， 但生长状况的改变需要一定时间 ［14］。如图 2a 所 示， 对菌株 Z1， 超声组和对照组在前 15 h 对硝基苯的 降解情况基本一致， 但从 15 h 开始， 超声组的降解率 就明显高于对照组， 在 96 h 时， 超声组的降解率比对 照组高出 11. 3 ， 因此可以确定超声波是在菌株接 入降解培养基后 15 h 开始发生作用的。同理， 如 图 2b和图 2c 所示， 对于菌株 Z2 和 Z3， 超声开始发生 作用的时间分别是 17 h 和 16 h。但是， 超声波的引 入对菌株 Z1 的强化效果最为明显。 3. 3超声持续作用的时间确定 通过多次连续的降解实验， 考察低强度超声波能 否对菌体产生持续的作用。如图 3a 所示， 从菌株 Z1 接入降解培养基约 20 h 后， 一直到第一次实验结束， 超声组对硝基苯的降解率都优于对照组。但是当第 二次实验开始后， 超声组的降解率就不如对照组， 可 能是由于超声作用只能持续一段时间， 降解 72 h 后 作用基本消失， 两组的降解情况趋于一致。所以， 超 声持续作用的时间为 52 h。从图 3b 可知 对于菌株 Z2， 超声持续发生作用的时间为 5 h。从图 3c 可知 在整个实验过程中， 对照组和超声组的降解情况基本 一致， 所以超声对菌株 Z3 几乎不产生作用。实验结 果表明， 尽管低强度超声波对生物处理过程有一定的 强化作用， 但其发挥作用的时间是有限的。 a菌株 Z1; b菌株 Z2; c菌株 Z3 图 3菌株超声组和对照组在 144 h 内对硝基苯的降解率 3. 4硝基苯生物降解动力学 硝基苯对微生物有很大毒性， 当浓度达到一定值 时会对降解产生抑制。Andrews 抑制方程用来描述 101 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 有基质抑制时微生物生长和基质降解动力学过程。 所以本研究选择 Andrews 非竞争性底物抑制模型来 建立硝基苯的降解动力学模型， 如下式所示 q qmaxS Ks S S2 Ki 式中 q 为硝基苯的比降解速率， h － 1; S 为硝基苯初始 浓度， mg/L; qmax为最大比降解速率， h － 1;K s、Ki分别 为底物饱和常数和底物抑制常数， mg/L。 以上式为模型进行非线性回归， 以硝基苯初始浓 度对三株菌的比降解速率作图， 硝基苯降解动力学模 型曲线与实验点的拟合如图 4 所示。 a菌株 Z1; b菌株 Z2; c菌株 Z3 图 4菌株的降解模型动力学曲线与实验点的拟合 根据 Andrews 方程进行非线性拟合所得模型参 数如表 2 所示。由表 2 中数据可知 对于三株硝基苯 降解菌的降解动力学模型参数 qmax，Ks和 Ki， 超声组 均高于对照组。但是， 对于菌株 Z3， 超声的施加并未 对其动力学过程有明显作用， 说明低强度超声波对不 同菌属的菌株的强化作用是不一致的。这一结果也 为硝基苯废水处理工艺提供了参考和依据。 表 2硝基苯降解动力学实验数据 菌株 对照组超声组 qmaxKsKiqmaxKsKi Z15. 72476. 3434. 677. 21502. 1947. 23 Z25. 13481. 2146. 735. 86500. 3259. 25 Z34. 25424. 6137. 244. 27432. 1239. 17 4结论 1 通过正交实验可以确定三株菌的最佳超声条 件。对于菌株 Z1、 Z2 和 Z3， 最佳的超声作用功率分 别为 180， 160， 180 W， 最佳的作用时间分别为 15， 5， 15 min， 最佳的作用温度均为25 ℃ 。 2 对于三株硝基苯降解菌， 超声开始作用的时 间分别为 15， 17， 16 h。对于菌株 Z1 和 Z2， 超声波持 续作用的时间分别为 52 h 和 5 h， 对菌株 Z3 作用不 明显。低强度超声波的引入， 促进了菌株的动力学降 解过程， 使得各模型参数较对照组均有所提高。 3 三株菌对硝基苯的降解均符合 Andrews 非竞 争性底物抑制模型。实验发现， 三株硝基苯降解菌超 声组的动力学参数 qmax、 Ks和 Ki均高于对照组， 但对 菌株 Z3 作用效果不明显。 4 在本实验中， 通过多次考察低强度超声波对 三株硝基苯降解菌降解过程的影响， 可以发现， 超声 的引入， 并不能对所有硝基苯降解菌的生物降解过程 都起到强化作用， 只是对部分菌株有比较明显的强化 效果， 为今后的研究和应用提供了参考和依据。 参考文献 ［1］Spain J C． Biodegradation of nitroaromatic compounds［J］． Annual Review of Pharmacology and Toxicology，1995，49 4 523- 555． ［2］Tang P，ZhouJ， Wang T， etal．Advanceinnitrobenzene wastewater treatment ［J］． Industrial Water Treatment，2003，23 3 16- 19． ［3］赵钰，曾苏，傅大放， 等． 多株硝基苯降解菌的筛选［J］． 应用 与环境生物学报，2002，8 4 427- 429． ［4］王连生． 环境健康化学［M］． 北京科学出版社，1994． ［5］李海燕，黄延，安立超． 含硝基苯类化合物废水处理研究［J］． 工业水处理，2006，26 7 40- 43． ［6］赵压，曾苏，傅大放， 等． 多株硝基苯降解菌的筛选［J］． 应用 与环境生物学报，2002，8 4 427- 429． 下转第 57 页 201 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 研究。 当然， ASM2D 模型涉及的参数很多， 如果能对其 中的动力学参数、 化学计量系数等模型参数进行属地 化研究， 将大大提高模拟的精准性。 参考文献 ［1］李探微， 彭永臻， 何金． UNITANK 系统及污水处理研究方向的 思考［J］． 中国给水排水， 1999， 15 7 21- 23. ［2］石明岩， 强亮生， 吕锡武． 连续式一体化活性污泥工艺［J］． 环 境工程， 2003， 21 4 25- 28. ［3］羊寿生． 一体化活性污泥法 UNITANK 及其应用［J］． 给水排 水， 1998， 24 11 16- 19. ［4］冯凯， 杭世珺． UNITANK 处理城市污水工程实践［J］． 给水排 水， 2002， 28 3 1- 4. ［5］雷明， 陶涛， 苏锡波， 等． UNITANK 在东鄱污水厂的应用［J］． 中 国给水排水， 2005， 21 1 75- 78. ［6］林敏兰， 隋军， 程瑾， 等． UNITANK 在猎德污水厂的应用［J］． 中 国给水排水， 2005， 21 3 66- 69. ［7］王乐， 缪焕权， 周业勤． 大沥污水处理厂 UNITANK 的调试运行 ［J］． 中国给水排水， 2008， 24 2 92- 94. ［8］李凌云， 雷明． CAST、 UNITANK、 氧化沟的生物除磷工艺设计和 运行［J］． 中国给水排水， 2010， 26 2 45- 48. ［9］国际水协废水生物处理设计与运行数学模型课题组． 张 亚 雷， 李咏梅， 译． 活性污泥数学模型［M］． 上海 同济大学出版社， 2002. ［ 10］W Gujer，M Henze，Mino T，et al． Activated sludge model No． 2D ［J］． Wat Sci Tech， 1999， 39 1 165- 182. ［ 11］Zhang Fagen，Liu Junxin，Sui Jun． Sludge dynamic distribution and its impact on the perance of UNITANK［J］．Journal of Environmental Science， 2007， 19 2 141- 147. ［ 12］张发根， 刘俊新， 隋军． 利用 ASM2D 分析 UNITANK 的反硝化 行为［J］． 水处理技术， 2007，33 5 18- 21． ［ 13］董姗燕， 汪喜生， 王文佳， 等． UNITANK 工艺流程中磷酸盐浓 度的非稳态特征［J］． 环境化学， 2007， 26 1 1- 4. ［ 14］董姗燕， 汪喜生， 彭争梁， 等． UNITANK 工艺流程溶解氧浓度的 动态分析［J］． 安全与环境学报， 2007， 7 1 42- 45. ［ 15］董姗燕， 汪喜生， 王文佳， 等． UNITANK 工艺流程氨氮浓度的动 态特征［J］． 环境污染与防治， 2006， 28 10 731- 733. ［ 16］李凌云， 雷明， 陶涛， 等． UNITANK 工艺厌氧环境的实验研究及 工艺优化［J］． 中国给水排水， 2006， 22 9 86- 89. ［ 17］陈运进． 猎德污水处理厂 UNITANK 工艺的运行效果［J］． 中国 给水排水， 2006， 22 2 93- 95. ［ 18］雷明， 李凌云， 苏锡波， 等． 对三池式 UNITANK 工艺的几点深 入认识［J］． 环境工程， 2006， 24 6 35- 36. ［ 19］张发根， 刘俊新， 隋军． 活性污泥工艺模拟的分类及在城市污水 厂的应用［J］． 给水排水． 2006， 32 9 94- 100． ［ 20］张发根， 李 笛，罗 定 贵，等． UNITANK 工 艺 特 性 及 其 基 于 ASM2D 的模拟分析［J］． 环境工程， 2009， 27 5 60- 64. 作者通信处张发根510006广州市大学城外环西路 230 号 A129 信箱 E- maildustinzh 263． com 2011 － 04 － 21 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 102 页 ［7］吴建峰，沈锡辉，周宇光， 等．一 株 降 解 对 氯 硝 基 苯 的 Comamonas sp． CNB1 的分离鉴定及其降解特性［J］． 微生物学 报，2004，44 4 8- 12． ［8］郑春莉，周集体，王竞， 等． 硝基苯高效降解菌群对硝基苯好 氧降解［J］． 大连理工大学学报，2008，48 2 173- 177． ［9］朱明霞，车文实，王君． 分光光度法测定痕量亚硝酸根［J］． 高师理科学刊，2000，20 1 37- 38． ［ 10］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］． 4 版． 北 京中国环境科学出版社，2002． ［ 11］Lessner D J，Johonson G R，Parales R E，et al．Molecular characterizationandsubstratespecificityofnitrobenzene dioxygenase fromComamonassp．strainJS765 ［J］． Applied Environmental Microbiology，2002，68 2 634- 641． ［ 12］Park HS， LimSJ， ChangYK， etal．Degradationof chloronitrobenzenes by a cocluture of Pseudomo-nas putida and a Rhodococcus sp［J］． Applied Environmental Microbiology，1999， 65 3 1083- 1091． ［ 13］毛月红，李江云，刘英杰． 超声波水处理技术及应用［J］． 工 业水处理，2006，26 6 10- 13． ［ 14］胡嘉东， 王宏杰，董文艺， 等． 低强度超声提高污泥活性的运 行条件优化［J］． 给水排水，2008，34 1 202- 203． 作者通信处周集体116024大连市甘井子区凌工路 2 号大连理 工大学化工与环境生命学部 电话 0411 84706252 E- mailzjiti 163． com 2011 － 06 － 21 收稿 75 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期