耐盐菌对偶氮染料酸性红B的脱色研究

1、第27卷第10期2007年10月环境科学学报Acta Scientiae Circu m stantiaeVol .27,No .10Oct .,2007基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金(No .2002247Supported by the Scientific Research Foundati on f or the Returned Overseas Chinese Scholars,State Educati on M inistry (No .2002247作者简介:李杏(1982,女,硕士研究生,E 2mail:lx_p lantyahoo ;3通讯作者(责任作者B i

2、ography:L I Xing (1982,female,E 2mail:lx_p lantyahoo ;3Correspond i n g authorL i X,Xiang X M,Zhou J T,et al .2007.Decol orizati on of az o dye acid red B by salt 2t olerant bacteriaJ .Acta Scientiae Circum stantiae,27(10:1637-1642耐盐菌对偶氮染料酸性红B 的脱色研究李杏,项学敏3,周集体,曲宝成,周笑白大连理工大学环境生态工程实验室,大连116023收稿日期:200

3、6210210修回日期:2007203211录用日期:2007207211摘要:从食品加工厂含盐污水处理车间的活性污泥中分离出对偶氮染料具有脱色活性的耐盐菌体,研究了不同pH 值、脱色温度、接菌量以及装液量等条件对耐盐菌体降解酸性红B 的影响,并设计正交实验,获得其降解模拟偶氮染料废水的最佳反应条件.研究结果表明,耐盐菌体T AS 在35、pH 为8、装液量为50mL 及接菌量为8%(体积分数的条件下,反应10h 后对浓度为50mg L -1的酸性红B 模拟废水的脱色率达91%.关键词:耐盐菌;偶氮染料;酸性红B;脱色文章编号:025322468(20071021637206中图分类号:X70

4、3.1文献标识码:AD ecolor i za ti on of azo dye ac i d red B by s a lt 2toleran t bacter i aL I Xing,X I A NG Xue m in 3,ZHOU J iti,Q Baocheng,Z HOU XiaobaiDalian University of Technol ogy Laborat ory of Eco 2Engineering,Dalian 116023Rece i ved 10Oct ober 2006;rece i ved in revised f or m 11March 2007;acce

5、pted 11July 2007Abstract:Salt 2t olerant bacteria with potential t o decol orize az o dyes were is olated fr om the activated sludge of a waste water treat m ent p lant used f or the saline food industry .Fact ors affecting the degradati on of acid red B,including pH,temperature,inocula concentrati

6、on and medium volume were investigated .Based on orthogonal design tests,the op ti m ized conditi ons were 35,pH 8,inocula concentrati on 8%and medium volume 50mL in 150mL flasks .After 10hours of treat m ent under these conditi ons,91%of 50mg L -1acid red B was decol orized .Keywords:salt 2t oleran

7、t bacteria;az o dye;acid red B;decol orizati on1引言(I ntr oducti on 化学工业产生的废水,特别是染料与印染工业生产废水,因其具有盐度高、色度深、组分复杂、化学稳定性高、生物可降解性低等特点,因而成为当前最主要的水体污染源之一.据报道,我国染料年出口约3×105t,进口5×104t,布料印染使用染料约2×105t,位居世界前列;在染料的生产和使用中,约有10%15%随废水直接排入环境,对人类的生存造成极大的危害和隐患.早在20世纪70年代初期,人们就开始对染料废水的处理进行研究,主要采用物化方法和生物方

8、法等处理技术.物化方法包括絮凝、吸附、辐照、化学氧化、湿式空气氧化等,一般需要使用大量的化学药品,运行费用高,并伴随产生大量难以处理的污泥;生物方法在一定程度上克服了上述缺点,被认为是一种经济有效的处理方法.在实际使用的染料中,偶氮染料是重要的一种,其数量比例在50%以上.偶氮染料的分子中一般含有13个偶氮键“N =N ”,是发色基团;键上连有苯基或萘基,苯或萘基上又连有OH 、NH 2、CH 3、S O -3、NO 2及Cl 等取代基团,这些官能团为助色基,当光线射入后发生选择性吸收就产生视觉所能感受到的各种颜色.部分偶氮染料因其结构中含有的偶氮萘酚基团,具有诱导有机体产生突变和致癌的慢性毒

9、性作用,加之偶氮键断环境科学学报27卷裂生成的中间代谢产物是芳香胺类化合物,具有很强的致癌作用,因此,在对染料降解和脱色的研究中,偶氮染料的研究备受重视.偶氮染料废水的处理方法包括物理吸附法、化学氧化及生物处理法.物理吸附的缺点在于成本高,吸附剂难于清洗,并且对某些大分子染料吸附力不够.化学法主要有电解、光催化以及湿式过氧化氢氧化法,容易产生化学污泥的二次污染,色度去除率也不尽如人意.生物法是目前比较普遍采用的方法.Mechsner 等(1982发现,利用甲苯处理蜡状芽孢杆菌(B.cereus 可以增加偶氮染料脱色速度;杨惠芳等(1989研究了假单胞菌S -42对偶氮染料的脱色和降解代谢,认为

10、偶氮染料的生物降解始于偶氮双键的还原裂解,并形成相应的芳香伯胺类化合物;戴树桂等(1996对偶氮染料结构-生物降解的定性及定量进行了论述;郝鲁江等(2006从自然界中筛选出对偶氮染料具有脱色优势的细菌,并对其进行了初步研究.本实验选用偶氮染料酸性红B 为研究对象,以实验室驯化的耐盐菌为偶氮染料脱色优势菌群,考察了该菌体对酸性红B 模拟废水的处理情况,旨在研究各种因素的综合作用效果,确定该脱色反应的最佳工艺条件,考察该菌体对含盐偶氮染料废水的处理潜力.2实验部分(Materials and methods 2.1实验材料菌体来源:从天津某食品加工厂污水处理车间(含盐量高的活性污泥分离得到的耐盐菌

11、群,简称T AS .耐盐LB 培养基:酵母膏5g L -1,蛋白胨10g L-1,NaCl 浓度为30g L-1,pH 值78. 图1染料酸性红B 的结构式Fig .1Molecular structure of the dye acid red B模拟染料废水:在含盐培养基中加入染料酸性红B (ARB (结构如图1所示,ARB 的终浓度为50100mg L-1,pH 值为78.仪器:P B 220pH 计(德国,JASCOV 2560紫外2可见分光光度计(日本,G162W S 台式高速离心机(长沙,Z H W Y 22102C 全温度恒温培养振荡器(上为好氧培养,配置含盐培养基150mL 于

12、三角摇瓶中,按照1%(体积分数将TS A 菌液接入含盐培养基.在30下摇床中好氧培养,自接菌时起每隔2h 取样测定培养基中菌体浓度,绘制T AS 菌体生长曲线.影响:将T AS 在含盐培养基中培养至菌体生长的对数中后期,按10%的接种量接入150mL 玻璃摇瓶中(摇瓶中装有50mL 液体含盐培养基,其中含酸性红B 质量浓度为50mg L -1,调节pH 值为7,在20、25、30、35、405个温度下静置反应,10h 后测定染料脱色率和菌体的生物量.pH 对T AS 脱色的影响:将含盐培养基的pH 分别调为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0,按10%接种量将T AS 接种至150

13、mL 玻璃摇瓶中(摇瓶中装有50mL 液体含盐培养基,其中染料浓度为50mg L-1,于30生化培养箱中静置反应,10h 后取培养液离心、比色,计算脱色率和生物量.接菌量对T AS 脱色的影响:配置含酸性红B 质量浓度为50mg L -1的液体含盐培养基50mL 装入玻璃摇瓶中,待T AS 生长至对数中后期时按2%、4%、8%、16%、20%的接种量接种玻璃摇瓶中,调节pH 为7,30下静置反应10h 后取培养液离心、比色,计算脱色率和生物量.装液量对T AS 脱色的影响:在150mL 玻璃瓶中分别装入不同体积的染料起始浓度为50mg L -1的液体含盐培养基,保持各个摇瓶内T AS 接种量均

14、为10%,pH 为7,30下静置反应10h 后取培养液离菌体浓度测定:利用分光光度计测定660nm 处OD 值.染料浓度测定:利用分光光度计测定540nm (最大特征吸收峰处的吸光度.染料浓度在075mg L -1范围内与最大吸光度线性较好.染料浓度高时先进行稀释再测定其吸光度.染料脱色率测定:将含染料以及菌体的培养基溶液离心(10000r m in -1,10m in 后,以未加染料的含盐培养基为参比,在最大吸收波长测其吸光度.836110期李杏等:耐盐菌对偶氮染料酸性红B 的脱色研究脱色率q 按式(1计算:q =A 0-A t A 0×100%(1式中,A 0为接种后初始时刻的吸

15、光度;A t 为好氧摇床培养一定时间后的吸光度.3实验结果(Results 3.1耐盐菌T AS 生长曲线及菌体干重2浓度标准曲线T AS 菌体在含盐培养基中的生长曲线(30、摇床140r m in -1如图2所示.由图可知,接种后6h T AS 均处于生长停滞期,对数生长期出现在随后的10h .本实验取好氧摇床培养10h 后的菌体为研究对(g L -1与菌液浊度OD 660的关系见图3,数据拟合得到的关系式为:OD =0.1971x +0.0452(R 2=0.9861(2 图2TAS 菌群生长曲线(30g L -1NaCl Fig .2The gr owth 2ti m e relati

16、on of T AS at 30g L-1 NaCl图3TAS 浓度2干重标准曲线Fig .3The standard curve of T AS concentrati on and dry weight出,温度对细菌脱色的影响非常明显.T AS 在3040之间对染料有较高的脱色率.图5表明,随着温度的升高,细菌的生物量逐渐增加,但最适脱色温度为35;推测可能原因是高温导致偶氮还原酶活力降低,进而造成脱色效果降低 .图4温度对酸性红B 脱色率的影响Fig .4The effect of temperature on decol orizati on of ARB图5温度对细菌生物量的影响Fi

17、g .5The effect of te mperature on gr owth of T AS图6pH 对酸性红B 脱色率的影响Fig .6The effect of pH on decol orizati on of ARB在pH 为8时取得最佳的脱色效果.图7表明,细菌9361环境科学学报27卷最适生长pH 为7,随着pH 升高,细菌的生长明显受到抑制. 图7pH 对细菌生物量的影响Fig .7The effect of pH on the gr owth of T AS 见,接菌量也是影响微生物脱色效果的一个重要因素.接种量不足,则降解速度较慢,周期延长;接菌量过多,容易造成浪费,而

18、且也会引起营养成分不 图8接菌量对酸性红B 脱色率的影响Fig .8The effect of inoculati on content on decol orizati on ofARB 图9接菌量对细菌生物量的影响Fig .9The effect of inoculati on content on gr owth of T AS足,使菌体不能正常生长繁殖,进而降低脱色活力.实验表明,接菌量在16%时对酸性红B 的脱色速率最快;随着接菌量的增加,反应后菌体生物量的增量也相应地呈增长趋势.以看出,装液量对染料脱色率的影响较小,当装液量为25mL 时,脱色率略微偏低为75%,当装液量为5010

19、0mL 时,脱色率均在80%左右,仅仅相差5%.随着装液量的增加,细菌的生物量增量却明显减少(见图11.装液量较少时菌体的生物量增量最高;这可能是由于菌体生长及酶的产生需要消耗大量的氧,因此,有必要将装液量列为影响因子之一.图10装液量对酸性红B 脱色率的影响Fig .10The effect of br oth content on decol orizati on ofARB图11装液量对细菌生物量的影响Fig .11The effect of br oth content on gr owth of T AS3.3正交实验根据T AS 菌体在不同的pH 值、脱色温度、接菌量和装液量等条件

20、下降解酸性红B 的数据测定基础,初步确定了影响脱色效果的主要因素水平及指标.为了进一步考察各因素之间的相互影响和各因素水平变化对生物降解的综合影响,本研究采用了046110期李杏等:耐盐菌对偶氮染料酸性红B的脱色研究正交实验法,选择4因素4水平的正交实验表进行正交实验,所选择的主要因素及水平见表1.表1正交实验因素和水平Table1The level and fact ors of orthogonal experi m ents水平因素温度(A/pH(B接菌量(C/mL装液量(D/mL125622523074503358875440910100按照因素水平表及正交组合原理进行组合得到正交实验

21、表2.按表2制备16组染料浓度为50 mgL-1的模拟废水(300mL,按表2中装液量要求分装至150mL玻璃瓶中,每组实验做3个平行,以12h为1个降解周期,测定脱色率,结果如表2所示.实验结果用极差分析法,即计算第i因素第k水平所对应的脱色率,并计算出脱色率的平均值,由此判断i因素的优水平,各因素的优水平即为最优组合,计算极差Ri,根据R i大小判断因素主次.表2脱色率实验结果直观分析表Table2Straight analysis of discol ored experi m ents实验号水平温度(ApH(B接菌量(C装液量(D脱色率较优水平A3B3C2D2从表2实验结果可以看出,温

22、度为35(A3、pH值为8(B3、接菌量为4mL(C2、装液量为50mL(D2则平均脱色率最高,即A3B3C2D2是可能的最佳脱色条件.考察极差与脱色率的关系发现,接菌量因素对脱色率的影响最大,温度的影响次之,pH 的影响再次,而装液量对脱色率的影响最小,于是估计出4个因素的重要程度为C>A>B>D.3.4正交实验验证上述正交实验所决定的优化条件并不在表2设计的16组试验当中,为了进一步验证试验的可靠性,故将此优化条件与表2的16组实验中效果最好的第15组对比.结果表明,在35、pH值8、装液量为50mL,接菌量为4mL条件下染料脱色率为91%,明显优于第15组实验结果的86

23、.1%.4结论(Conclusi ons1本研究从天津某食品加工厂污水处理车间(含盐量高的活性污泥分离得到了耐盐菌群T AS,此菌对偶氮染料酸性红B具有脱色优势,且适应环境因素如pH、温度等条件的范围较宽,降解活性稳定.2外加碳氮源的条件下,菌体在10h左右即能使含盐量3%、浓度为50mgL-1的酸性红B脱色率达到80%以上.3以温度、pH、接菌量和装液量设计的正交试验优化了T AS菌体的脱色条件,结果表明,影响T AS脱色效果的因素主次为:接菌量>温度>pH>装液量,最佳脱色条件pH为8、装液量为50mL、接菌量8%(体积分数、温度为35,此条件下耐盐菌T AS对偶氮染料酸

24、性红B的脱色率最高,可达91%.References:Science,4(6:19(in Chinese14611642 环 境 科 学 学 报 M icrobiologica Sinica, 29 ( 6 : 418 426 ( in Chinese 27 卷 University (Natural science edition , 24 ( 1 : 10 14 ( in Chinese Mechsner K, W uhrmann K 1982. Cell per . meability as a Rate L im iting Factors in the M icrobial Redu

25、ition of sulfonated Azo Dyes J . Eur J App l M icrobiol B iotechnol, 15: 123 126 ( in Chinese Peng Y L, Hao Y S, L i J Z 1997. Status and development of p rinting and . dyeing or dye wastewater treatm ent by m icrobial method J . Anvances in Environmental Science, 5 ( 3 : 57 64 ( in Chinese Vaidya A A , Datye K V. 1982. Environmental pollution during chem ical p rocessing of synthetic fibres J . Col