造纸黑液木质素降解微生物的分离和降解特性研究_图文

1、环境工程2002年6月第20卷第3期造纸黑液木质泰降解微生物的分离和降解特性研究孙先锋张志杰(西安建筑科技大学研=境与市政j二程学院,凹安710055崔红军彳11q (西安仃自来水公司规划设计院,西安7l摘要通过f化和分离、从119株微生物中筛选出了6株能在以术质素为唯一碳源的培养基上生长的细菌,对它们进行了分类鉴定,它们舟属干假单胞苗属、黄单胞杆菌属和枝动杆菌属。摇瓶降解宴验结果表明,这6株苗能不同程度的降解术质素,其中2号苗经12d的培养后,术质隶去除率达到了23.4%.具有良好的降解术质素潜力。关键词造纸黑液术质素畿生物降解分离1引言目前,我同造纸行、世中,由丁木材短缺,以非木纤维原料如

2、稻草、麦草等生产的纸浆占总产量的70%必上。这些造纸企业大多规模小,工艺技术落后,基本不具备碱回收系统,使人量黑液直接排放,造成严重的水污染。由于黑液中有机物含量极高,含有难生物降解的木质素及其它一些有毒物质,使黑液治理更加用难,而治理黑液的关键则是如何合理地处置木质素.国内外对中小型草浆厂木质素的治理,酸析法仍是主要手段。本研究认为,处理木质素,生物法是最终的出路。首先,木质素用途较广,但需求量不是很大,若各制浆厂均采用酸析法并且提纯木质素,不仅成本很高,市场势必也会出现供大于求,造成产品积压,这是中小型浆厂不可能承受的。所以较为廉价且最为彻底的方法是生物降解;其次,工业上在pH4.0进行酸

3、析提取大量木质素,但实际出水中仍含有相当浓度的木质素,要想达标排放,这部分木质素生物处理是不能回避的问题。鉴于此,本研究对具有降解木质素的微生物进行了分离筛选和鉴定”。1,并对它们降解木质素的能力作了一系列的实验,希望能对我国造纸黑液的治理有定的积极意义。2实验材料2.1培养基基础培养基牛肉膏蛋白胨培养基。选择培养基o K2HP(。1.0g,Nacl0.5g, MgSO。7H200.3g,NaN032.5g,FeCl30.01g,CaCl2 O.1g,蒸馏水l000mL,纯碱木质素0.3g,pI玎.4,5磅-陕西省教育厅科拄专项资助(00JK252;陕西省科技厅攻戈项目资助f2mK】3一cJ0

4、。火菌30min。降解培养基”J M庐(J.-7H200.5g,K:HP04 O.5g.Nacl O.5g,KNq l g,蒸馏水l000mL,加入纯碱木质素,使cOD。,值为850mL左右(培养基本底c0D“值为19.7L,pH7.4,5磅灭菌30面n。2.2纯碱术质素的制备5取黑液100mL,在60qc下用浓度为lo%的H,sO。调节pH至3.O,保温1020min,在4000“r11in离心20nin,沉淀用热水洗涤后再离心,至清液无s暖(10%Back检验为止,沉淀转入已恒重的称量瓶内,在90±2下烘至恒重,即得粗碱木质素。将酸沉淀得到的粗碱木质素,存索氏提取器中用二氧六环抽

5、提8h。然后把碱木质索的抽提溶液加入无水乙醚中搅拌均匀,离心分离后,沉淀物用去离子水洗涤r净、烘干(90t2oc至恒重,即得纯碱术质素,3实验方法3.1菌种分离、鉴定厦茵悬液制备菌种分离从长期被造纸黑液污染的污泥中,含有枯枝落叶的土壤中和长年雨淋口晒的朽本上大量取样,接入液体选择培养基,在30恒温振荡驯化培养一周,在固体选择培养基平板上进行划线分离,经反复地驯化培养和划线分离,8周后获得降解木质素的纯菌种。菌种鉴定采用一般分类方法,根据菌株的形态特征和生理生化特征,先鉴定到科,再按备分科检索鉴定到属。纯菌悬液的制备菌种接种于液体基础培养堆上,30恒温振荡培养48h,4oo(r/m¨1

6、离心3f.用O.85%的生理盐水洗涤3次,再用生理盐水把菌体2伽2年6月第20卷第3蛸浓度凋至8×108个细胞,mL,备用。3.2本质素浓度与cOn。关系的测定称取O600O g纯碱木质素,用O.1mol/LNa0H溶解并定容到l L,进行适当的稀释,得到浓度分别为600g/L,550mL,500“g儿.450“g,T,400mg,L,350吲L,300珊I.,250埘g/L,200mg/L,】50nlg/L,100rng,L的木质素梯度溶液,测定相应的coD。值,以木质素浓度为横坐标,c【D,值为纵坐标,作图。3.3摇瓶降解实验在250mL三角瓶中船人100n1L液体降解培养基.灭

7、菌,在无菌操作条件下,向培养基中接种纯菌悬液,并使悬浮细胞浓度约为104个细胞,mL。30恒79温摇床振荡培养。每隔24h取培养液测cOD。并菌体计数,测定COD。,前先将培养液于4000r/m佃离心30mln,取上清液测定。3.4分析方法c0D。,测定。标准重铬酸钾滴定法。菌体计数”。平板菌落计数法。4实验结果4.1菌种分离鉴定结果按照3.1方法,进行长期驯化和多次的划线分离,从“9株菌种中筛选出r6株能在以木质素为唯一碳源的培养基上较好生长的细菌,它们的特征和分类鉴定结果见表1。表1木质素降解菌特征4.2木质素与c0。,关系测定结果木质素与c0D。关系测定结果见图l。?簟§市度翥

8、浓度/罄_L瞎I(.oDc,与小质奈浓度关系圈由图1可知,纯碱木质素所产生c0D。.值(溶剂0.1mol儿NaOH,cOD。,值为3.69mL,已除去与木质素碱溶液的浓度成正相关性,方程式为y= 1.5349x+3.3273。可以作为木质素浓度与cOD。关系的标准曲线,当测得溶液木质素的cOD。,值时,即可从图1中查出所对应的木质素含量。4.3降解实验结果按照3.3的方法,以木质素为唯一碳源,摇床降解实验结果见图2、图3和表2。图2是菌种连续12d对培养基中术质素降解利用的情况。从图中可以看出,6条曲线均呈下降趋?黑§培养时闻,d!憎吼rp简H¨J扎-|卓州睹科lE+09辐

9、1+嘴誊1.E+07辗j氍l E+061E十05一菌种口一菌种占一菌种*一苗种*一茁种一菌种培养时间/d圈3描IlL实驻j=i惶各曲株曲数的业化势,说明6株菌均对木质紊有降解利用的能力.而且,它们之间降解木质素的能力存在着一定的差异,菌种2降解能力最强,在12d后,cOD。从794l mL下降802002年6只第20卷第3期到了608Hlg,L,其次分别为3、6、l号菌,cOD。降到了636mg,L、644“g/L、645H叫I。5和4号菌降解能力最差,COD。仅降到705mg,L和732rr州L。图3是摇瓶降解过程中,各菌种的菌体个数随时间的变化情况,图中各曲线均呈上升趋势,说明随着降解反应

10、的进行,6株菌在数量上有不同程度的增长,2号菌生长最好,前4d菌数基本保持不变,第5d 进入对数增长期,菌数迅速增多,在第7d菌数达到最高,为45x108个细胞,mL,约为初始菌数104倍,而4号菌的生长情况明显最差,到第12d萧数仅为3.4×IO个细胞,mr,。对比图2和图3,可以看出,不同的菌株,数量增加越快,该菌株降解木质素的能力也相应要强,它就适宦在这种培养环境中生长繁殖。根据菌种对c0D,。的降解值,从图1中可以查出相应的术质索降解情况,表2是各菌种对培养基中术质素去除的结果。表2菌种去除培养基中术质素的结果从表2中可以看出摇瓶降解12cJ后,各个菌株去除木质素的情况。2号

11、菌对木质素的去除效果最好,达到了234%,4号菌最差为7.8%。5结论本实验从多处取样,进行了大量的菌种分离筛选工作,获得了6株能在以木质素为唯一碳源的培养基上生长的菌种并对它们进行了鉴定。对木质素降解实验结果表明,6株菌均能不同程度的降解木质素,其中,2号菌在降解培养基上生长最好.对木质素的降解能力也最强,木质素去除率达到了23.4%;相反,4号菌在降解培养基上生长很缓慢,相应的木质素去除率也最低,仅为7,8%。可以看出,2号菌有很好的开发应用潜力,后续实验将对其进行更为深入的研究,以从各方面再提高其对木质素的降解能力.参考文献1张振家张虹.张任江等稻草制浆熙液生物+混凝扯理试验城市环境与城

12、市生态,200l】4(1:2l一232GIano D。gr如目.Pdmzla P0】vPdnndeIto and C刊o V B|lIln6c all。n 锄d characle兀盟uonkrmak肌d Poumarme d种盯h唧la鸵h帅曲w讲哪pM“W,App EnM一,19956l(":3263323Shl90Ka吲,KennemJe删.Wufl B“,aKf曲F H”polnc nlodd m如tra【e日kr"8tudy d叫rHmld11gr|nolyslspp FnMlc.1螂6l(9:34073414.4巾国科学院南京土壤研究所傲生物室十壤微生物研究法北京

13、:科学出版社,】985:帅一1645手地.州期橙.长自山地区真菌降解木质紊的研究微生物学报, 199030(4:2963046国家环境保护局水和废水监洲分析方法编委会水和废水监测分析方泣(第二版北京:中国环境科学出版社,1997:354356.7沈萍.范秀容,李广武徽牛物学实验(第三版北京:高等教育出版社,】999:92。95第一作者孙先锋,男.1973午出生。毕业于西北大学十物系,现在西安建筑科挂大学环境与市政工程学院攻读博士学位,主饕从事污水寸物处理回用技术及水生志研究,发表论文10余篇。治理与技改同步环境与经济双赢20011l一12收稿江苏磊达股份有限公司是年产水泥200万t的中型建材企

14、业.拥有3条年产10万t的机立窑水泥生产线.2条年产30万l的水泥粉磨生产线,1条年产90万I的超细微粉水泥生产线。公司近年来坚持技改与治理齐抓,投入2200多玎兀实施水泥粉尘治理改造,取得r较好的经济效益、社会效益和环境效益。1997年该企业投人900万元对2.5万t老水泥线两磨窑综合改造,粉尘治理投入近220万元,新增加了6台袋式和高压静电除尘器,更换了较为先进、密封程度高的输送、提升设施加台套。使生产能力扩大到10万t.粉尘治理也基本达到了排放标准。1998年、1999年2。时间里,对2条88万t的水泥生产线投资500万元实施粉尘治理、改造,彻底淘汰了过去的落后肪尘设施,对4台球磨机、3

15、组包装系统、2台机立窑的除尘设施进行脱胎换骨式的改造,新上了9台袋式和高压静电除尘器,2组静电脉冲玻纤大布袋除尘器.同时对30多台食附属设备进行丁密封改造,从根本上解决丁遮2条生产线的水泥粉尘污染。在近2。多时问内,该企业义投入1.2亿元新上了2条年产30万l水泥粉磨生产线和l条年产90万t超细微水泥生产线,在新建垃程中严格执行环保“三同时”的要求,水泥粉尘治理次性投入l500万元,使牛产工艺、规模设计、粉尘治理均处于国内、国际先进水平,水泥粉尘污染的有效治理和大鼍的投入从根本上控制了水泥粉尘排放对大气的污染.为企业树立了良好的形象。(孙纯明 造纸黑液木质素降解微生物的分离和降解特性研究作者:

16、孙先锋, 张志杰, 崔红军作者单位:孙先锋,张志杰(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安,710055, 崔红军(西安市自来水公司规划设计院,西安,710069刊名: 环境工程英文刊名:ENVIRONMENTAL ENGINEERING年,卷(期:2002,20(3被引用次数:16次参考文献(7条1.张振家.张虹.张任江稻草制浆黑液生物+混凝处理试验期刊论文-城市环境与城市生态 2001(012.Giuliano Degrassi.Patrizia Polverino de Laureto.Carlo V B Purification and Characterization of fer

17、ulate and p-Coumarate decarboxylase from Bacillus pumilus 1995(013.Shingo Kawai.Kenneth A Jensen.Wuli Bao.KennethEH New polymeric model substrates for the study of microbial ligninolysis 1995(094.中国科学院南京土壤研究所土壤微生物研究法 19855.王地.刘期松长白山地区真菌降解木质素的研究 1990(046.国家环境保护水和废水监测分析方法 19977.沈萍.范秀容.李广武微生物学实验 1999相似

18、文献(10条1.期刊论文造纸黑液木质素及其综合利用-广东化工2005,32(10木质素是结构复杂的数量上仅次于纤维素的芳香族天然高分子物质,是人们提取和利用纤维素时的副产品,本文主要对国内近几年来有关木质素特别是造纸黑液木质素的综合治理和应用技术研究成果进行了综述,内容包括木质素化学结构及其在农林业、石油工业、混凝土工业、高分子材料和合成低分子化学品等领域的综合利用.2.会议论文王德汉.彭俊杰.廖宗文造纸黑液木质素对尿素氮在土壤中转化与生物利用的影响2002利用造纸黑液木质素对尿素进行包膜处理,制成三种不同包膜厚度的缓释尿素(LCU,通过土壤淋溶试验和盆栽试验研究了木质素包膜尿素氮素释放规律和

19、生物利用效果,结果表明:木质素包膜尿素具有不同程度的缓释性能,木质素包膜尿素中氮素累积溶出速率比普通尿素低12;施用木质素包膜尿素的玉米生物量均大于普通尿素,尿素氮素利用率平均提高了3.59.木质素对尿素氮转化影响除了物理控释作用外,其降解产物还具有一定的硝化抑制使用,能减少氮素的淋失和对环境的污染.3.期刊论文冷东梅造纸黑液木质素资源化处理-化学工程与装备2009,""(12造纸制浆废液回收的木质素具有多种活性基团,在土壤中能缓慢降解,适于配制缓释肥料.本文简要概述木质素在肥料领域中的技术研究与应用,内容主要包括木质素的化学特性,木质素氮肥、磷肥、多元复合肥和螯合微肥的研

20、究应用.木质素肥料具有优越的特性和广阔的应用前景,加强其研究和应用,对促进木质素资源的充分利用与农业经济的持续发展和保护生态环境具有重要意义.4.期刊论文王平.何伶.吴翔.王文斌.Wang Ping.He Ling.Wu Xiang.Wang Wenbin从造纸黑液中提取木质素制备工业水处理剂M-03-工业水处理2005,25(9以造纸黑液为原料,用絮凝-酸析联用技术从中提取木质素,对木质素磺化改性处理后,加入有机磷、锌盐和苯并三唑等与其复配,制备工业水处理药剂M-03.探讨了主原料配比、药剂用量、反应温度、反应时间等对药剂处理性能的影响,得出最佳复配条件:m(改性木质素:m(有机磷:m(氯化

21、锌:m(苯并三唑:m(水:m(乙醇=10:30:15:2:40:3、反应时间2 h、反应温度(70±2.并用静态实验法评价了M-03药剂的缓蚀阻垢性能,结果表明,该药剂缓蚀阻垢性能优良.5.期刊论文刘德启.Liu Deqi草浆造纸黑液改性制备木质素酚醛树脂结合剂-耐火材料2000,34(6以草浆造纸黑液为研究对象,通过对木质素的分离、提纯及对其酚羟基、羟甲基化改性,制备了木质素酚醛树脂结合剂。选择双氧水+稀土为催化剂,确定了其最佳的制备反应条件和试样成型工艺条件。所合成的木质素酚醛树脂结合剂,可以用于A12 O3等材料的常温成型,具有良好的粘度及和易性,提高了制品的热学、力学性能。同

22、时可分别替代酚、醛原料的90%及85%,具有显著的经济与环保效益。6.学位论文王廷平造纸黑液的资源化研究2007碱法制浆是当前全球最广泛采用的一种制浆方式,但其造成的环境污染也曰益加剧。随着我国环境保护政策的加强,国家要求所有造纸企业都必须对造纸废水进行严格的净化处理,使造纸废水经处理后能够循环利用。本文针对西安兄弟纸业有限公司的造纸黑液,采用复合混凝剂对其先进行混凝沉淀处理后,使COD指标由原来的11000mg·L<'-1>降至980mg·L<'-1>。再进行氧化处理,使COD指标降低至150mg ·L<'-

23、1>,从而使处理后的造纸黑液可重新用于造纸制浆,使废水循环利用,达到造纸废水的零排放。对所产生的污泥,用甲基异丁基甲酮、乙醇和水的混合溶液进行提取,将其中的木质素进行回收,并应用木质素对含铬废水中的三价铬离子进行吸附实验,含铬废水中的三价铬离子被全部吸附,使造纸黑液中的木质素加以回收利用,实现了造纸黑液的资源化。通过化学混凝实验,选择了混凝剂的种类和最佳配比,确定了复合混凝剂的最佳用量和工艺条件;通过氧化处理实验,选择了氧化剂的种类和用量;通过提取木质素的实验,确定了提取木质素的工艺条件;通过木质素对含铬废水处理的应用实验,确定了木质素对三价铬离子吸附的条件。实验结果表明:1、在混凝实验

24、中确定了复合混凝剂的种类及其最佳配比和用量;分析了反应机理并确定了处理过程的工艺条件:混凝沉淀过程的工艺条件为pH值后顺序,搅拌,静置沉淀12h,从而使废水COD值降低至980mg·L<'-1>。2、在对上清液的氧化处理实验中,确定了氧化剂(H<,2>O<,2>的最佳用量:氧化剂用量为55g·L<'-1>,使COD降至150mg·L<'-1>,从而清液可以回用制浆。3、在木质素的提取实验中,用甲基异丁基甲酮、乙醇和水的混合溶液(5.5:3:4体积比提取木质素。经对木质素回收条件的研

25、究,确定了回收木质素的最佳工艺条件:混合溶剂加入量50mL,催化剂H<,2>SO<,4>加入量0.9mL,提取时间为45min,提取温度为180。通过红外光谱确定了具有其特征的官能团;通过扫描电镜观察到木质素表面有大量的“岛屿”状物;端面可观察到许多细孔、蜂窝结构,具备高聚物吸附的微观结构。4、在木质素对含铬废水进行处理的应用实验中,首先对铬离子进行测定,其中Cr(为9.830g·L<'-1>,总铬为13.454g·L<'-1>,Cr(为3.642g·L<'-1>。并确定了六价铬被

26、还原为三价铬的最佳条件:还原剂以亚硫酸氢钠:六价铬=3.4:1(质量比先投加,用20%硫酸将废铬液pH值控制在23之间,反应30min。并用提取的木质素对三价铬离子进行吸附实验,确定了被吸附铬离子的最佳条件:铬离子浓度为2×10<'-4>M,pH值为8,振荡时间为12h,三价铬被完全吸收。对资源化处理方案进行分析结果表明:通过对造纸黑液的资源化研究使废水循环利用,达零排放,并使木质素得到回收利用。既消除了造纸黑液对自然生态环境的污染,又使废物回收利用,实现了废弃物的增值转化、变废为宝,不仅为企业解决了废水治理的难题,又可以为其节约大量水费和药剂费用,为造纸工业提供

27、了一条可持续发展的新途径,保护了环境,并实现了造纸黑液的资源化。7.期刊论文穆环珍.杨问波.陈倩.黄衍初造纸黑液木质素在肥料中的应用-环境保护2003,""(6造纸制浆废液回收的木质素具有多种活性基团,在土壤中能缓慢降解,适于配制缓释肥料.本文简要概述木质素在肥料领域中的技术研究与应用,内容主要包括木质素的化学特性,木质素氮肥、磷肥、多元复合肥和螯合微肥的研究应用.木质素肥料具有优越的特性和广阔的应用前景,加强其研究和应用,对促进木质素资源的充分利用与农业经济的持续发展和保护生态环境具有重要意义.8.期刊论文陈飞飞.王光辉.杨锋.王振东用造纸黑液中的木质素制备电磁屏蔽材料的

28、研究-武汉科技学院学报2008,21(12在本实验中以造纸黑液为原料,经酸析后得到木质素,在木质素中添加适量的镍、钙催化剂经催化碳化后得到具有石墨层状结构的碳化产物,并可进一步制备得到具有良好电磁屏蔽性能的碳基环保材料.实验结果表明:当碳化温度为900、催化剂Ni和Ca的添加量分别为8wt%、6wt%时所得到的石墨晶体的晶体结构最完善,制备得到电磁屏蔽材料的屏蔽效果最好.9.期刊论文王晓红.赵谦造纸黑液中木质素在农业领域的应用-林产化工通讯2004,38(2介绍了造纸黑液中木质素在农业领域的最新研究及应用,主要对木质素在肥料、农药、饲料、土壤改良剂、植物生长调节剂、液体地膜等方面的研究进展进行

29、了阐述.10.学位论文张与兵由造纸黑液制取中孔活性炭的研究2004该研究以造纸黑液为原料,采用水蒸气活化法制取中孔活性炭.研究中采用盐酸酸析法从造纸黑液中提取木质素.所提取的木质素在一定的温度炭化后,将炭化料粉碎至一定粒度后加入一定量的二茂铁作为催化剂.以水蒸气作为活化剂,在一定的温度下活化一定的时间,制取中孔活性炭,中孔率均大于55.由于具有较多的中孔,对维生素B<,12>有良好的吸附性能.该研究探讨了加酸沉淀回收碱法造纸黑液中木质素的工艺条件,研究了反应温度、pH值、反应时间等因素对木质素回收量的影响,得出了最佳反应条件分别为pH=2、反应温度为60、反应时间为60min,加酸速度以控制不产生大量泡沫为准,在该条件下,木质素的回收效果最佳,回收量达到了190.03g/L.还研究了