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嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析

谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
引用本文: 谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
Citation: XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105

嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析

    作者简介: 谢晓航(1994—),男,硕士研究生。研究方向:环境微生物工程。E-mail:474672223@qq.com
    通讯作者: 宋慧婷(1975—),女,博士,教授。研究方向:水污染控制与生态修复技术。E-mail:htsong@hubu.edu.cn
  • 基金项目:
    湖北省科技厅技术创新重大专项(2018ABA096);武汉市科技计划(2019020701011496);国家级大学生创新创业训练计划项目(201810512040,201910512029)
  • 中图分类号: X172

Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403

    Corresponding author: SONG Huiting, htsong@hubu.edu.cn
  • 摘要: 为提高降酚菌株的降酚能力,实验测定了嗜联苯红球菌B403对6种酚的最小抑菌浓度,考察了该菌在不同碳源条件下的生长与降酚特性及其关联,进而研究其降解动力学规律。结果表明,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚和2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为1 190、630、700、140、70、48 mg·L−1,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚表现出较强的耐受性。分别以这3种酚为唯一碳源,该菌株能有效降解苯酚和间甲酚,无机盐培养基中处理30 h后,苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为97.85%、100%、56.54%;当有其他有机碳源存在时,菌株B403的生物量大幅度提高,3种酚的降解效率也显著提高,处理15 h后LB-无机盐混合培养基中苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为98.92%、99.93%、94.35%。菌株B403的降酚动力学过程符合Haldane模型,菌株B403降解苯酚的动力学参数为qm=0.503 h−1Ks=270.9 mg·L−1KI=69 mg·L−1;降解间甲酚时,qm=0.672 h−1Ks=171.9 mg·L−1KI=23.74 mg·L−1;降解邻苯二酚时,qm=1.749 h−1Ks=541.9 mg·L−1KI=42.61 mg·L−1。根据动力学方程,推论降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度分别为136.4、87.4、116.1 mg·L−1。综合上述结果,其他有机碳源的存在可以显著提高该菌株降酚能力和降解效率,在工业含酚废水治理及有机质丰富的酚类污染土壤修复领域具有一定的应用潜力。
  • 在饮用水处理工艺中,超滤(utrafiltration,UF)技术因其优异的固液分离性能和出水生物安全性,已成为第三代净水工艺的核心技术[1-3],但超滤对有机物的低去除能力使其必须和其他净水技术联合使用才能保证出水水质[4-6]。吸附和预氧化是应用最广泛的膜前预处理技术[7-9]。一方面,在众多吸附剂中,磁性阴离子交换树脂(magnetic anion exchange resin,MIEX)是近年来为针对水中天然有机物(natural organic matter,NOM)去除而专门开发的一种新型树脂[10]。MIEX树脂颗粒的粒径约为150~180 μm,是传统树脂粒径的1/5~1/2倍,因而具有更大的比表面积和更低的固相传质阻力,可以提供更多的吸附活性点位[11]。与水处理中最常用的吸附剂粉末活性炭(powder activated carbon,PAC)相比,MIEX对有机物的去除速率是PAC的40倍,而且去除的有机物分子质量范围也较PAC更广泛[12]。已有大量的研究证明,MIEX对NOM、消毒副产物以及离子型污染物都有很好的去除效果[13-15]。作为一种新兴的吸附净水技术,MIEX正在受到越来越多的关注[16-17]。另一方面,在众多的预氧化技术中,高铁酸盐(FeO24)作为一种新型绿色高效氧化剂[18-19],集氧化、吸附和絮凝于一体,能够有效消减水中各类有机污染物[20-21]。高铁酸盐具有比传统氧化剂更高的氧化电势(在酸性条件下为E0=2.20 V,在碱性条件下为E0=0.72 V),而且没有消毒副产物生成[22]。同时高铁酸盐还具有微絮凝效应,其氧化有机物后会在水中形成新生态氢氧化铁胶体,能够进一步去除水中的颗粒态和胶体态污染物[23]。目前,高铁酸盐已被广泛用于污水、废水和给水的水质净化等领域[24-27]

    众多周知,氧化法能够破坏大分子的结构,进而将其转化为小分子化合物,吸附则优先去除小分子有机物。因此,将氧化和吸附耦合作为UF的预处理工艺,可使得两者在净水方面存在较好的协同效果。但是,高铁酸盐预氧化和MIEX吸附在净水方面的性能差异对比,以及二者耦合是否存在明显的协同净水效应,还未见有研究报道。基于此,本研究以地表水模拟微污染水源水,系统地对比分析了MIEX吸附和高铁酸钾(K2FeO4)预氧化在有机物去除性能方面的差异,探讨了两者在净水性能方面存在协同效应的可能性,从水质净化角度为UF预处理工艺的筛选优化提供参考。

    实验所用MIEX由澳大利亚ORICA公司生产并提供,平均粒径为180 μm。为保持性能,MIEX在使用前放置在饱和NaCl浓盐水中避光保存。每次使用时,取出适量MIEX置于烧杯中,用超纯水多次清洗至上清液电导率和纯水基本相同后备用[28]。树脂投加量按充分沉降后的湿体积计算。实验所用K2FeO4购自天津三江科技有限公司(纯度为99%,主要杂质为NaCl≤0.46%、Pb≤0.001%、As≤0.000 1%、水不溶物≤0.2%、干燥失重(150 ℃)≤1.0%)。在本实验中,高铁酸钾的投加方式为固体粉末投加。

    实验中使用的原水来自于天津工业大学泮湖,使用前将湖水静置24 h去除较大颗粒物和表层悬浮物。稀释1倍后作为本实验进水,以模拟微污染水源水。实验进水综合水质特征为:实验原水的pH为8.31~8.37、浊度为1.93~1.96 NTU、UV254为0.187 1~0.190 0 cm−1、DOC为8.51~8.55 mg·L−1、电导率为1 716~1 718 mS·cm−1SO24为140.2~143.4 mg·L−1

    K2FeO4预氧化实验和MIEX吸附实验均在ZR4-6型混凝实验搅拌仪中进行。搅拌速度为100 r·min−1,吸附和预氧化时间均为60 min。反应结束后沉淀30 min,取上清液经0.45 µm滤膜过滤后,再进行水质测定分析。

    pH使用HACH 2100AN型测定仪测定;浊度采用HACH2100Q型便携式浊度检测仪测定;UV254采用Agilent Craay60 UV-Vis紫外分光光度计进行测定;DOC采用岛津TOC-Vcph测定仪进行测定;有机物分子质量分布采用高效凝胶色谱分析,使用美国Waters公司生产的Waters 1515-2414型高效凝胶色谱仪,检测器为Waters 2414示差折光检测器,标准物质为聚乙二醇。实验进水中亲、疏水NOM组分的制备根据沈兆欢[29]提供的方法进行。

    水样的三维荧光光谱(three-dimensional fluorescence spectrum, 3D-EEM)分析采用Perkin Elmer LS50B型荧光分光光度计(Perkin Elmer, New Jersey, USA)在室温(25 ℃)下进行。激发波长(excitation wavelength, Ex)为200~500 nm,扫描步长5 nm,发射波长(emission wavelength, Em)为200~600 nm,扫描步长为1 nm。激发和发射单色仪的狭缝宽度均设定为5 nm,扫描速度为1200 nm·min−1。采用荧光区域整合(fluorescence regional integration, FRI)技术对3D-EEM光谱数据进行分析。该方法先对3D-EEM图像及数据进行分区,激发-发射荧光光谱响应值矩阵分区与有机物种类对应关系[30]表1所示。根据每个分区面积占总面积的比例计算每个区域的乘法因子Fi,再根据式(1)和式(2)计算标准化3D-EEM区域响应体积Φi,n,得出有机物构成情况[31]

    表 1  激发-发射荧光光谱响应值矩阵分区与有机物种类对应关系
    Table 1.  Corresponding relationship between the matrix partition of excitation-emission fluorescence spectra response values and the types of organic matters
    区域Em/nmEx/nm有机物类别
    250~325200~250类酪氨酸类蛋白质
    325~380200~250类色氨酸类蛋白质
    380~500200~250类富里酸
    250~380250~400可溶微生物代谢产物
    380~500250~400类腐殖酸
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    Φi=exemI(λexλem)ΔλexΔλem (1)
    Φi,n=FiΦi (2)

    式中:I(λexλem)为三维荧光各点响应值总和;Fi为3D-EEM每个区域的乘法因子;Δλem为发射光谱扫描步长,nm;Δλex为激发光谱扫描步长,nm;Φi,n为3D-EEM区域响应体积。

    为评价K2FeO4预氧化和MIEX吸附两者之间的协同效应,采用协同效应系数评估两者对各项指标的协同去除情况,协同效应系数[32]根据式(3)进行计算。

    S=ηAηBηAηBηAB

    式中:S为协同效应系数;ηA为MIEX对有机物的去除率;ηB为K2FeO4对有机物的去除率;ηAB为MIEX和K2FeO4联合对有机物的去除率。当S>1时,表明两者有协同作用。

    1) MIEX和K2FeO4对有机物总量的去除。图1(a)图1(b)分别为MIEX和K2FeO4投加量对DOC和UV254去除效果的影响规律,两者的去除率随MIEX和K2FeO4投加剂量的变化趋势相同。当MIEX的投加量由5 mL·L−1增至20 mL·L−1时,MIEX对DOC的去除率由17.7%增至50.9%,之后DOC的去除率明显有所减缓。MIEX规律在UV254的去除率方面表现更加明显,去除率由5 mL·L−1投加量下的48.7%增至20 mL·L−1投加量下的71.9%,之后去除率不再有明显变化。当K2FeO4投加量(以Fe计)由4.23 mg L−1增加至16.92 mg·L−1时,DOC的去除率由12.8%增至35.3%,UV254的去除率由14.4%增至53.0%。此后,DOC和UV254的去除率增长幅度均随K2FeO4投加量的进一步增加而明显减缓。在MIEX和K2FeO4的实验投加量范围内,MIEX对DOC和UV254的去除率均明显高于K2FeO4预氧化,这说明MIEX对总有机物和芳香族类有机物的去除效果均优于K2FeO4预氧化工艺。

    图 1  不同剂量MIEX和K2FeO4对有机物去除效果
    Figure 1.  Removal of organic matters by MIEX adsorption and K2FeO4 oxidation at different dosages

    2) MIEX和K2FeO4对不太亲疏水组分有机物的去除。图2为MIEX和K2FeO4预氧化对不同亲疏水组分有机物的去除效果。需要特别指出的是,基于图1所得到的实验结果,在图2及后续实验中,K2FeO4和MIEX的投加量分别设定在16.92 mg·L−1和20 mL·L−1。在本实验中,通过树脂分级制备方法将原水中NOM组分分成疏水酸性组分(HoA)、疏水碱性组分(HoB)、疏水中性组分(HoN)、弱疏水组分(WHo)和亲水性组分(HiM),原水中总疏水总分(THo)是各疏水组分含量之和。对比MIEX吸附和K2FeO4预氧化对这些组分的去除率可以发现,MIEX吸附对每种单一疏水组分和疏水性NOM总量(THo)的去除率均相差不大,为44.9%~51.6%,但对亲水性组分的去除率明显高于疏水性组分,去除率可高达76.9%。相比之下,K2FeO4预氧化只对疏水酸性和疏水碱性组分的去除率较高,去除率分别为47.3%和50.5%,与MIEX的去除率相差不大,对疏水酸性组分的去除率甚至略高于MIEX。但K2FeO4预氧化对疏水中性组分的去除率仅为27.5%,对弱疏水组分几乎没有去除(去除率仅为7.8%),这些均远远弱于MIEX的去除效果。K2FeO4预氧化对亲水性组分不但没有去除,预氧化出水中亲水性组分反而增加了21.5%,同时考虑到预氧化对总NOM的去除率为33.8%,这再次证实了预氧化能够促使某些疏水性NOM组分向亲水性NOM转化[33]

    图 2  MIEX和K2FeO4对亲疏水组分去除效果
    Figure 2.  Removal of hydrophilic and hydrophobic components by MIEX adsorption or K2FeO4 oxidation

    3) MIEX和K2FeO4对不同种类有机物的去除效果分析。采用3D-EEM荧光光谱考察了MIEX吸附和K2FeO4预氧化对水中不同类型有机物的去除效果。图3(a)为原水的三维荧光光谱,图3(b)图3(c)分别为MIEX吸附和K2FeO4预氧化出水的三维荧光光谱。原水在经上述2种预处理后,各组分有机物的荧光强度均有显著降低,其中,MIEX吸附对各组分有机物的消减幅度比K2FeO4预氧化更加明显。通过对三维荧光光谱进行荧光区域整合分析可以看出,原水中5种有机物质所占比例分别为类酪氨酸类蛋白质(Ⅰ)6.30%、类色氨酸类蛋白质(Ⅱ)8.56%、类富里酸(Ⅲ)19.08%、可溶微生物代谢产物(Ⅳ)33.51%和类腐殖酸(Ⅴ)32.55%。显然原水中IV和V类有机物占据主要成分,总占比为66.06%。MIEX对Ⅰ和Ⅳ类有机物去除率较低,仅为20.0%和26.2%;但对Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ类有机物的去除率均较高,分别为52.5%、54.0%和56.7%。K2FeO4对Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ类有机物的去除率均较低,去除率分别为16.6%、14.4%和17.7%;对Ⅱ类去除率较高,为46.2%,其次为Ⅲ类物质,去除率为39.3%。上述结果表明,MIEX对水中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ类有机物有着较高的去除率,而K2FeO4优先去除水中II类有机物。两者对Ⅲ类物质均有较高的去除率,但对Ⅰ类物质的去除率均较低。

    图 3  三维荧光光谱分区及FRI分析
    Figure 3.  Three-dimensional fluorescence spectra and FRI analysis

    4) MIEX和K2FeO4对不同相对分子质量有机物的去除效果。对实验原水进行高效凝胶色谱分析发现,原水中有机物主要是中、小分子质量的有机物,其主要集中在10~15、1.7~2.7和0.2~1 kDa(图4)。通过对这3个分子质量区间对应的峰面积进行积分计算可知,MIEX对这3个分子质量的有机物均有很好的吸附和去除,由分子质量由高到低的3个峰所对应的去除率依次为60.7%、65.7%、74.9%。显然,MIEX对分子质量为0.2~1 kDa有机物的去除率最高,这与YU等[7]的研究结论是一致的。

    图 4  水中有机物分子质量分布
    Figure 4.  Molecular weight distribution of organic matters in water

    K2FeO4预氧化对3个分子质量有机物的去除率由分子质量由高到低依次为31.3%、74.4%和34.8%。从去除率来看,K2FeO4预氧化对分子质量为1.7~2.7 kDa有机物的去除率最高,优于MIEX。对10~15 kDa有机物去除能力弱于MIEX。理论上,K2FeO4预氧化对分子质量为10~15 kDa有机物的去除率应该优于1.7~2.7 kDa的有机物,但测定结果却表明,预氧化对这一小分子有机物的去除率很低,这应该是因为高铁酸钾对更高分子质量的有机物去除并没有达到完全矿化,而是将大分子有机物氧化分解成小分子有机物,最终导致预氧化出水小分子有机物的去除率并不高[34]

    1) K2FeO4和MIEX在有机物总量去除方面的协同效应分析。在对比了K2FeO4预氧化和MIEX吸附净水效果的差异之后,实验进一步分析了K2FeO4预氧化耦合MIEX吸附在净水性能方面的协同效应。图5反映了两者在有机物总量去除方面的协同效应。K2FeO4-MIEX联合处理对DOC的去除率可达84.7%,比单独MIEX吸附提高了33.8%,比单独K2FeO4预氧化提高了49.4%,两者对DOC去除的协同系数为2.08,这说明两者在有机物总量消减方面具有显著的协同去除效应。在对芳香族化合物(UV254)的去除方面,K2FeO4-MIEX联合处理对UV254的去除率为89.2%,比单独MIEX提高了17.3%,比单独K2FeO4预氧化提高了36.2%,两者对UV254去除的协同系数为1.22,也表现出一定的协同去除效应。

    图 5  MIEX和K2FeO4对有机物去除效果
    Figure 5.  Removal of organic matters by MIEX adsorption and K2FeO4oxidation

    2) K2FeO4和MIEX在亲疏水组分去除方面的协同性。图6反映了K2FeO4-MIEX联合预处理对水中亲疏水有机物组分的协同去除率。经过K2FeO4预氧化协同MIEX吸附处理以后,对每一种单一疏水组分、总疏水性有机物以及亲水性有机物的去除效果均有明显的提升,最明显的是对亲水性有机物的去除效果。联合处理去除率为87.6%,比单独MIEX吸附提高11.1%,比单独K2FeO4预氧化提高109.1%,对应的协同效应系数高达2.34。这是因为MIEX对亲水组分的去除率明显高于对疏水组分的去除率,而K2FeO4预氧化则能促使一部分疏水组分转化为亲水组分(图2),更有利于MIEX的吸附去除。此外,联合预处理对弱疏水性有机物也表现出一定的协同去除效应,对应的协同效应系数为1.30,这可能是K2FeO4预氧化促使一部分疏水性组分向弱疏水性组分转化,而MIEX对弱疏水性组分的去除率又远高于K2FeO4的结果。

    图 6  MIEX和K2FeO4对亲疏水组分协同去除效果
    Figure 6.  Synergistic removals of hydrophilic and hydrophobic components by MIEX and K2FeO4

    3) K2FeO4和MIEX在不同种类有机物去除方面的协同性。如图7所示,三维荧光光谱分析结果表明,K2FeO4-MIEX联合处理对五类有机物质的去除效果都较单独处理有一定改善,其中是对原水中主要成分Ⅴ类有机物的联合去除率改善最为明显,联合去除率高达77.3%,比单独MIEX吸附提高20.6%,比单独K2FeO4预氧化提高59.6%,对应的协同效应系数高达1.57。其次,联合预处理对MIEX和K2FeO4都不擅长去除的I类有机物也表现出一定的协同去除效应,协同效应系数为1.29。MIEX和K2FeO4对Ⅴ类和Ⅰ类有机物都表现出协同去除效应的原因可能有2点:一方面,类腐殖质和类酪氨酸类蛋白质都属于大分子质量有机物,MIEX对中小分子质量有机物去除率较高,但对大分子质量有机物去除率较差[7];而K2FeO4预氧化可以把大分子质量有机物分解成为小分子质量的有机物,但很难完全矿化,所以去除率并不高[35];但将两者联合时,K2FeO4可以先通过预氧化将这些大分子质量物质分解为中小分子质量的化合物,然后其再被MIEX吸附去除,所以联合预处理的效果较2种单独预处理方法均有明显改善。另一方面,K2FeO4预氧化的副产物会产生氢氧化铁,有微絮凝效应,但形成的絮体尺度很小,扫捕能力较弱[23]。当预氧化出水进入膜反应器与MIEX混合后,氢氧化铁微絮凝体在MIEX的微磁场作用下会发生磁絮凝效应,矾花尺度明显变大,这会使絮凝体对大分子物质的扫捕沉淀效果进一步加强[36]

    图 7  K2FeO4-MIEX出水FRI分析
    Figure 7.  FRI analysis of effluent after K2FeO4-MIEX treatment

    4) K2FeO4和MIEX对不同分子质量有机物的协同去除效应。图8反映了K2FeO4和MIEX联合预处理对不同分子质量有机物的去除效果。联合预处理对3个分子质量的有机物均较单独预处理有明显提高,联合去除率随分子质量由高到低依次达到了72.0%、90.2%和86.2%。协同效应结果表明,K2FeO4和MIEX在去除分子质量为0.2~1 kDa有机物时表现出了明显的协同效应,对应的协同效应系数为1.20。根据图4的结果可知,K2FeO4预氧化将大分子质量有机物转化为0.2~1 kDa的小分子有机物,而MIEX对分子质量0.2~1 kDa的有机物的去除效率最高,因此,K2FeO4和MIEX对这一分子质量的有机物表现出较好的协同效应。本实验所用原水中分子质量高于15 kDa的有机物几乎没有,进水中有机物分子质量分布整体偏低,这致使K2FeO4预氧化将大分子质量有机物转化为中小分子质量有机物的效果不是特别明显,导致K2FeO4和MIEX之间的协同效应系数比预期偏低,但这种协同去除效应的存在是毋庸置疑的。

    图 8  K2FeO4-MIEX处理前后水中有机物分子质量分布
    Figure 8.  Molecular weight distribution of organic matters before and after K2FeO4-MIEX treatment

    1)在微污染水源水净化实验中,MIEX吸附工艺对总有机物和芳香族类有机物的去除效果均好于K2FeO4预氧化工艺, K2FeO4-MIEX联合处理工艺效果较单独MIEX吸附工艺提高了33.8%,较单独K2FeO4预氧化工艺提高了49.4%,两种工艺在有机物总体去除方面表现出很好的协同效应。

    2) K2FeO4-MIEX联合处理工艺对类色氨酸类蛋白质有机物的去除效果均较单独处理有明显改善,其中,对腐殖酸类有机物的协同去除效果最为明显,协同去除效应系数高达1.57。此外,二者在类酪氨酸类蛋白质的去除方面也表现出较好的协同去除能力,在一定程度上弥补了两种单独工艺对类酪氨酸类蛋白质去除能力较弱的缺陷。

    3) K2FeO4预氧化工艺对疏水酸性和疏水碱性组分的去除率较高,同时增加了出水中的亲水性有机物含量;MIEX吸附工艺对亲水性组分的去除率明显高于疏水性组分,这使得K2FeO4-MIEX联合预处理工艺对亲水组分去除具有显著的协同效应,协同去除系数高达2.34。此外,二者在弱疏水性有机物的去除方面也有一定的协同去除效应,对应的协同效应系数为1.30。

    4)凝胶色谱结果表明,MIEX吸附工艺对小分子质量的有机物去除率最高,K2FeO4预氧化工艺在有效去除中等分子质量有机物的同时,又促进了原水中大分子质量有机物向小分子质量有机物的转化,使得K2FeO4-MIEX联合预处理工艺对分子质量为0.2~1 kDa的有机物表现出明显的协同去除效应。

  • 图 1  菌株B403以苯酚为底物时在3种培养基中的生长情况

    Figure 1.  Growth of strain B403 in three mediumswith phenol as substrate

    图 2  菌株B403在3种培养基中对苯酚的降解特性

    Figure 2.  Phenol degradation characteristics by strain B403 in three media

    图 3  菌株B403以间甲酚为底物时在3种培养基中的生长情况

    Figure 3.  Growth of strain B403 in three media with m-cresol as substrate

    图 4  B403在3种培养基中对间甲酚的降解特性

    Figure 4.  M-cresol degradation characteristics by strain B403 in three media

    图 5  菌株B403以邻苯二酚为底物时在3种培养基中的生长情况

    Figure 5.  Growth of strain B403 in three media with catechol as substrate

    图 6  菌株B403在3种培养基中对邻苯二酚的降解特性

    Figure 6.  Catechol degradation characteristics of strain B403 in three media

    图 7  菌株B403对不同浓度的苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解曲线

    Figure 7.  Degradation curves of phenol, m-cresol and catechol with different concentrations by strain B403

    图 8  菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚的动力学拟合曲线

    Figure 8.  Kinetic fit curve of phenol, m-cresol and catechol degradation by strain B403

    表 1  菌株B403在不同浓度酚类物质中的生长情况

    Table 1.  Growth of strain B403 in different concentrations of phenolic substances

    苯酚/(mg·L−1)间甲酚/(mg·L−1)邻苯二酚/(mg·L−1)对硝基苯酚/(mg·L−1)2,4-二氯苯酚/(mg·L−1)2,4,6-三氯苯酚/(mg·L−1)
    1 100+++600+++600+++100+++0+++0+++
    1 110+++610++610+++110+++10+++8+++
    1 120+++620+620+++120++20+++16+++
    1 130+++630-*630+++130+30+++24++
    1 140+++640-640++140-*40+++32+
    1 150++650-650++150-50++40+
    1 160+660-660++160-60+48-*
    1 170+670-670++170-70-*56-
    1 180+680-680+180-80-64-
    1 190-*690-690+190-90-72-
    1 200-700-700-*200-100-80-
      注:“+++”表示细菌生长量多;“++”表示细菌生长量较多;“+”表示细菌生长量较少;“-”表示不能生长;*表示最小抑菌浓度。
    苯酚/(mg·L−1)间甲酚/(mg·L−1)邻苯二酚/(mg·L−1)对硝基苯酚/(mg·L−1)2,4-二氯苯酚/(mg·L−1)2,4,6-三氯苯酚/(mg·L−1)
    1 100+++600+++600+++100+++0+++0+++
    1 110+++610++610+++110+++10+++8+++
    1 120+++620+620+++120++20+++16+++
    1 130+++630-*630+++130+30+++24++
    1 140+++640-640++140-*40+++32+
    1 150++650-650++150-50++40+
    1 160+660-660++160-60+48-*
    1 170+670-670++170-70-*56-
    1 180+680-680+180-80-64-
    1 190-*690-690+190-90-72-
    1 200-700-700-*200-100-80-
      注:“+++”表示细菌生长量多;“++”表示细菌生长量较多;“+”表示细菌生长量较少;“-”表示不能生长;*表示最小抑菌浓度。
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    表 2  由Haldane模型得到的菌株B403降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的动力学参数

    Table 2.  Degradation kinetic parameters of phenol, m-cresol and catechol by strain B403 obtained from Haldane model

    酚类污染物qm/h−1Ks/(mg·L−1)KI/(mg·L−1)误差平方和R2
    苯酚0.503270.9690.0390.97
    间甲酚0.672171.923.740.0240.998
    邻苯二酚1.749541.942.610.0510.954
    酚类污染物qm/h−1Ks/(mg·L−1)KI/(mg·L−1)误差平方和R2
    苯酚0.503270.9690.0390.97
    间甲酚0.672171.923.740.0240.998
    邻苯二酚1.749541.942.610.0510.954
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  • 收稿日期:  2019-08-19
  • 录用日期:  2019-11-01
  • 刊出日期:  2020-04-01
谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
引用本文: 谢晓航, 叶萌, 潘宏, 许宋思恒, 杨慧, 柯榆杰, 宋慧婷. 嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105
Citation: XIE Xiaohang, YE Meng, PAN Hong, XU Songsiheng, YANG Hui, KE Yujie, SONG Huiting. Degradation characteristics and kinetic analysis of phenolic pollutants by Rhodococcus biphenylivorans B403[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1103-1112. doi: 10.12030/j.cjee.201908105

嗜联苯红球菌B403对酚类污染物的降解特性及动力学分析

    通讯作者: 宋慧婷(1975—),女,博士,教授。研究方向:水污染控制与生态修复技术。E-mail:htsong@hubu.edu.cn
    作者简介: 谢晓航(1994—),男,硕士研究生。研究方向:环境微生物工程。E-mail:474672223@qq.com
  • 1. 湖北大学资源环境学院,区域开发与环境响应湖北省重点实验室,武汉 430062
  • 2. 湖北大学生命科学学院,省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室,武汉 430062
基金项目:
湖北省科技厅技术创新重大专项(2018ABA096);武汉市科技计划(2019020701011496);国家级大学生创新创业训练计划项目(201810512040,201910512029)

摘要: 为提高降酚菌株的降酚能力,实验测定了嗜联苯红球菌B403对6种酚的最小抑菌浓度,考察了该菌在不同碳源条件下的生长与降酚特性及其关联,进而研究其降解动力学规律。结果表明,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚和2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为1 190、630、700、140、70、48 mg·L−1,菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚表现出较强的耐受性。分别以这3种酚为唯一碳源,该菌株能有效降解苯酚和间甲酚,无机盐培养基中处理30 h后,苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为97.85%、100%、56.54%;当有其他有机碳源存在时,菌株B403的生物量大幅度提高,3种酚的降解效率也显著提高,处理15 h后LB-无机盐混合培养基中苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解率分别为98.92%、99.93%、94.35%。菌株B403的降酚动力学过程符合Haldane模型,菌株B403降解苯酚的动力学参数为qm=0.503 h−1Ks=270.9 mg·L−1KI=69 mg·L−1;降解间甲酚时,qm=0.672 h−1Ks=171.9 mg·L−1KI=23.74 mg·L−1;降解邻苯二酚时,qm=1.749 h−1Ks=541.9 mg·L−1KI=42.61 mg·L−1。根据动力学方程,推论降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度分别为136.4、87.4、116.1 mg·L−1。综合上述结果,其他有机碳源的存在可以显著提高该菌株降酚能力和降解效率,在工业含酚废水治理及有机质丰富的酚类污染土壤修复领域具有一定的应用潜力。

English Abstract

  • 酚类污染物是工业废水中常见的一类污染物,在石油精炼、塑料制造、树脂生产、农药生产、钢铁制造以及油漆生产等工业生产过程都有酚类污染物的产生[1]。酚类污染物的种类很多,其中以苯酚、甲酚、氯酚的污染最为突出[2]。由于苯酚及其衍生物有毒且难以降解,在水环境中分布广泛,已对生态环境造成损害,同时也严重威胁着人类的生存和发展,中国将苯酚、间甲酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚、五氯苯酚和对硝基苯酚列入环境优先处理的污染物“黑名单”[3]。因此,高效治理含酚废水的研究十分重要。

    含酚废水的处理方法有很多,主要分为物理法、化学法和生物法。其中生物法因其成本低、二次污染小等优点而被广泛应用[4]。生物法处理含酚废水的关键在于降酚菌株的筛选[5]。据报道,国内外学者已从环境中成功分离、筛选出了一些降酚菌株。EREQAT等[6]从橄榄油废物中分离出1株苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis),在96 h内对700 mg·L−1苯酚的最大去除率可达到88.6%;JIANG等[7]从工业废水处理系统中分离出1株德巴利氏酵母(Debaryomyces),在32 h内可完全降解500 mg·L−1苯酚;贾子龙[8]从焦化废水中分离出1株假单胞菌(Pseudomonas sp.),可在78 h内完全降解360 mg·L−1间甲酚;黄强等[9]筛选得到1株铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),其降解50 mg·L−1对硝基苯酚需要8 h;于彩虹等[10]从首钢焦化废水处理系统中分离出蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus),其完全降解400 mg·L−1和800 mg·L−1苯酚所需要的时间分别为24 h和72 h。这些菌株均能以单一酚为唯一碳源进行生长,但在有其他有机碳源存在时酚类物质降解的研究较少。酚类污染物种类繁多,寻求对酚类污染物具有降解广谱性,能够降解不同酚类物质的菌株对含酚废水的生物处理具有重要意义。同时,为了更好地研究降酚菌对酚类污染物的降解机理,降解动力学的研究是必不可少的[11]。微生物降解动力学有助于微生物处理的设计、运行合理化与科学化,克服长期以来微生物处理的设计和运行多为根据经验数据来进行的局限,为酚类污染物的生物处理提供理论依据[12]

    本研究报道了1株能以多种酚类污染物作为唯一碳源生长的红球菌对酚类污染物的耐受性,并针对其在耐受性强的3种酚中的生长情况结合降解特性进行了分析,发现该菌株在其他有机碳源存在时表现出更高的酚降解效率,这一特性更利于在酚类污染物土壤、水体治理中的实际应用。为阐明该菌株对苯酚、间甲酚、邻苯二酚3种酚类污染物的最适降解环境,根据菌株对3种酚的最小抑菌浓度,选择合适的浓度梯度建立动力学模型,为酚类污染物的治理提供技术基础。

  • 实验用菌株为嗜联苯红球菌(Rhodococcus biphenylivorans),命名为B403,由湖北大学省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室筛选,其保藏编号为CCTCC NO:M 2019087。

    实验过程中所使用的培养基有3种类型:LB培养基、无机盐培养基、LB-无机盐混合培养基。LB培养基:胰蛋白胨10 g·L−1、酵母提取物5 g·L−1、NaCl 10 g·L−1。无机盐培养基:NaCl 0.2 g·L−1、KH2PO4 0.5 g·L−1、K2HPO4 0.5 g·L−1、NH4NO3 1 g·L−1、MgSO4·7H2O 0.2 g·L−1、FeSO4·7H2O微量。LB-无机盐混合培养基:胰蛋白胨5 g·L−1、酵母提取物2.5 g·L−1、NaCl 5.1 g·L−1、KH2PO4 0.25 g·L−1、K2HPO4 0.25 g·L−1、NH4NO3 0.5 g·L−1、MgSO4·7H2O 0.1 g·L−1、FeSO4·7H2O微量。

    以上培养基调节pH至6.5~7.0,121 ℃蒸汽灭菌后30 min备用,每组设置3个平行,酚类污染物配成5 g·L−1母液,过滤除菌后,按需加入培养基中。

  • 分别配制苯酚、间甲酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚和邻苯二酚母液,设置苯酚浓度为1 100~1 200 mg·L−1、间甲酚浓度为600~700 mg·L−1、邻苯二酚浓度为600~700 mg·L−1、对硝基苯酚浓度为100~200 mg·L−1、2, 4-二氯苯酚浓度为0~100 mg·L−1、2, 4, 6-三氯苯酚浓度为0~80 mg·L−1。测定2, 4, 6-三氯苯酚时,每支试管浓度相差8 mg·L−1,测定其他酚类时,每支试管浓度相差10 mg·L−1。按0.6%的接种量接入菌株B403菌悬液,于28 ℃、200 r·min−1恒温摇床中培养24 h,肉眼观察,试管中溶液保持澄清时的最低浓度为最小抑菌浓度(MIC),通过最小抑菌浓度表征菌株对这6种酚的耐受性。

    用LB液体培养基活化菌株B403单菌落,48 h后分别接种菌液至LB培养基、无机盐培养基、LB-无机盐混合培养基中培养,控制接种后培养基中初始OD600=0.1。在3种培养基中加入同一种酚,每个处理设置3个重复,于28 ℃、200 r·min−1恒温摇床中培养51 h,每3 h 取样1次,测定细菌生长量。同时取样1 mL培养液至EP管中,在12 000 r·min−1离心5 min后取上清液,用双蒸水稀释50倍,经0.22 μm的有机相微孔滤膜过滤,高效液相色谱法测定酚含量。苯酚、间甲酚、邻苯二酚初始浓度均设置为500 mg·L−1

  • 细菌生长量的测定:用空白培养基做参比,在波长600 nm下测定菌液的光吸收值,记作OD600,反映液体培养基中该菌株的生长状况。

    苯酚含量的测定:采用高效液相色谱法[13],XDB-C18(5 μm,4.5 mm×150 mm)色谱柱,体积分数为50%的甲醇溶液为流动相,流速0.5 mL·min−1,柱温25 ℃,进样量10.00 μL,苯酚、间甲酚、邻苯二酚检测波长分别为270、272、270 nm。苯酚去除率按式(1)计算。

    式中:η为苯酚去除率;C0为初始苯酚浓度,mg·L−1C为反应后苯酚浓度,mg·L−1

  • 菌株B403在苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚中的生长情况如表1所示。根据实验结果,菌株B403在实验浓度范围内的6种酚中均能生长,但对酚的耐受能力存在差异。菌株B403对苯酚的耐受能力最强,最小抑菌浓度为1 190 mg·L−1;其次是间甲酚和邻苯二酚,最小抑菌浓度分别为630 mg·L−1和700 mg·L−1。该菌对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚、2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为140、70、48 mg·L−1,说明这3种酚对菌株B403的生长抑制较为强烈,可能与这3种酚中含有的硝基和卤原子取代基有关[14]。在耐受性实验基础上,选取耐受能力较强的苯酚、间甲酚和邻苯二酚考察菌株在不同碳源条件下的生长和降酚特性。

  • 在分析菌株B403在苯酚中的生长情况和降解效率时,以500 mg·L−1苯酚为底物,初始接种OD600一致,测定菌株B403生长量和苯酚含量。菌株B403在苯酚-无机盐培养基、苯酚-LB培养基及苯酚-LB-无机盐混合培养基中的生长曲线和对苯酚的降解曲线如图1图2所示。3种培养基中菌株B403表现出不同的生长特性,在苯酚-LB培养基中,菌株B403的生长状况最佳,在51 h内,OD600最大可增加至10.85。在苯酚-LB-无机盐混合培养基生长状况次之,51 h内,OD600最高值为6.65。而在苯酚-无机盐培养基中,菌株B403的生长状况最差,在51 h内,OD600最大值仅为0.97。这说明该菌能够以苯酚为唯一碳源生长,且在有其他有机碳源存在的情况下能快速提高菌株的生物量。苯酚-LB培养基和苯酚-LB-无机盐混合培养基的菌株在前15 h内生长情况基本一致。18 h后,菌株B403在苯酚-LB培养基和苯酚-LB-无机盐混合培养基中的生长明显加快,相比在无机盐培养基中差异更为明显。这说明在生长前期,苯酚对菌株B403生长有一定的抑制作用,这种抑制作用在苯酚作为单一碳源时更为显著。在含有其他有机碳源的条件下,18 h之后,苯酚对菌株的生长抑制减弱,菌株快速进入对数期,而苯酚为唯一碳源条件下,苯酚对菌株的生长抑制并没有随着时间的增加而减弱。

    菌株B403在不同培养基中酚降解效率存在明显差异,15 h时,苯酚-LB-无机盐混合培养基中菌株B403对苯酚的降解率最高,达到了98.92%,在苯酚-LB培养基中的苯酚降解率为85.87%。处理18 h后,2种培养基中的苯酚被完全降解,而苯酚-无机盐培养基中的菌株酚降解效率仅为62.27%,处理30 h能达到97.85%,菌株B403在苯酚-无机盐培养基中的降解效率最低与其低生物量密切相关[15]。添加有机碳源不仅能够增强该菌株对酚的耐受性,而且提高了生物酚降解效率[16-17]。在实验过程中发现,在苯酚降解过程中会产生邻苯二酚和顺, 顺-黏糠酸等中间产物,但这些中间产物量非常小,与已报道的结果[18-19]一致。低浓度邻苯二酚和顺, 顺-黏糠酸等中间产物对菌株生物生长抑制较弱,因此,推测在菌株B403生物降解苯酚的过程中主要抑制物为苯酚。18 h后,在苯酚-LB培养基和苯酚-LB-无机盐混合培养基中的苯酚完全被降解,此时菌株B403利用其他有机碳源继续生长,生长速率大幅度提升。菌株B403在苯酚-LB-无机盐混合培养基的降解效率高于在苯酚-LB培养基中的降解效率,这说明在含有较高生物量的情况下,添加少量的无机盐离子对该菌株降解苯酚有促进作用。

    关于苯酚的微生物降解已经有了大量的研究,陈晓华等[20]筛选了1株苍白杆菌(Ochrobactrum sp.),在30 ℃、初始pH=7.0、接种量为5%、初始苯酚浓度为400 mg·L−1的条件下,完全降解苯酚需要24 h;沈娥等[21]分离了1株红球菌W2,在30 ℃、pH=7.0、50 g·L−1NaCl 条件下,其降解500 mg·L−1苯酚需要78 h;高振贤等[22]发现Ralstonia metallidurans CH34菌株降解4 mmoL·L−1苯酚需要48 h。菌株B403在苯酚为唯一碳源的条件下,其降解苯酚能力明显高于以上文献报道中的菌株。在此基础上,添加常规碳源可大幅提高该菌株的苯酚降解能力,含酚工业废水以及土壤中往往含有丰富的常规碳源,这一特性更利于菌株B403在环境领域实际应用。

    在分析菌株B403在间甲酚中的生长情况和降解效率时,以500 mg·L−1间甲酚为底物,其他条件同上,绘制生长曲线和降解曲线,如图3图4所示。结果表明,在间甲酚-LB培养基中,在51 h内,OD600最大增加到8.58,菌株B403的生长状况最佳。在间甲酚-LB-无机盐混合培养基中,生长状况次之,51 h内,最高增长到5.23。而在间甲酚-无机盐培养基中,菌株B403的生长状况最差,在51 h内,OD600最大仅增长到0.44。这说明该菌不仅能以苯酚为唯一碳源生长,而且在间甲酚为唯一碳源时也能生长。当间甲酚为唯一碳源时,间甲酚及其代谢中间产物对菌株生长均有持续抑制作用,因而菌株生物量较低,而在有其他有机碳源存在时,18 h后间甲酚及其代谢中间产物对菌株的生长抑制作用减弱,导致菌株生物量大幅度提高。彭丽花等[23]发现,Citrobacter farmeri sp.在间甲酚完全降解的反应液中,中间产物所带来的TOC占总TOC的25%左右,间甲酚中间产物的进一步转化反应可能受到某种条件的制约。菌株B403在含苯酚的3种培养基中的生物量高于含同浓度间甲酚的3种培养基中的生物量可能与此相关。

    菌株B403在不同培养基中对间甲酚的降解效率存在明显差异。在12 h时,间甲酚-LB-无机盐混合培养基中菌株B403对间甲酚的降解率达到67.49%,15 h间甲酚被完全降解;间甲酚-LB培养基中在12 h时对间甲酚降解率为48.17%,15 h达到99.93%,18 h间甲酚被完全降解;而在18 h时,甲酚-无机盐培养基中的菌株对间甲酚的降解率仅为66.34%,30 h后,间甲酚被完全降解。间甲酚-LB培养基和间甲酚-LB-无机盐混合培养基中的间甲酚完全降解后,菌株B403可以利用其他有机碳源继续生长,生长速率大幅度提升。菌株B403在间甲酚-LB-无机盐混合培养基的降解效率高于在间甲酚-LB培养基中的降解效率,说明在含有较高生物量的情况下,添加适量无机盐离子对该菌降解间甲酚有一定的促进作用。菌株B403在间甲酚-LB培养基和间甲酚-LB-无机盐混合培养基中的高生物量和比生长速率大幅度地提升了其对间甲酚的降解效率。葛启隆[24]发现1株短芽孢杆菌(Brevibacillus borstelensis),在添加200 mg·L−1琥珀酸后,降解300 mg·L−1间甲酚所需时间缩短了20 h,这与上述文献结果相符。

    白静[25]得到1株降酚菌Alcaligenes faecalis sp.,其对间甲酚最大降解能力为250 mg·L−1,需要118 h才能降解完全。WANG等[26]利用Paecilomyces variotii JH6降解300 mg·L−1间甲酚,在65 h时,间甲酚去除率达到96.4%。通过实验对比发现,菌株B403具有更高的间甲酚降解能力。

    在分析菌株B403在邻苯二酚中的生长情况和降解效率时,以500 mg·L−1邻苯二酚为底物,其生长和降解特性如图5图6所示。与苯酚、间甲酚结果类似,在邻苯二酚-LB培养基中,菌株B403的生长状况最佳,在51 h内,OD600最大值为13.09;其次是邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基,在51 h内,OD600最高增长为8.68;而在邻苯二酚-无机盐培养基中,菌株B403的生长状况最差,在51 h内,OD600最大仅增长到0.36。这说明菌株能够以邻苯二酚为唯一碳源进行代谢生长,并且有外加碳源存在时,对菌株生物量有大幅提高。邻苯二酚-LB培养基和邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基的菌株在前6 h内生长速率基本一致。9 h后,生长速率均有了明显提升,这说明其他有机碳源能够减弱邻苯二酚对菌株的生长抑制,菌株进入对数生长期,与苯酚和间甲酚生长情况相比,菌株进入对数期时间更短,且在18 h后菌株进入衰亡期,这说明邻苯二酚对菌株具有持续的生长抑制。

    菌株B403在不同培养基中对邻苯二酚的降解效率也存在明显差异。邻苯二酚-LB培养基中菌株完全降解邻苯二酚仅需15 h,邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基中18 h后完全降解,此时邻苯二酚-无机盐培养基中菌株对邻苯二酚的降解率仅为46.27%。该菌株在无机盐培养基中对邻苯二酚的降解效率最差,在51 h时,仍然没有完全降解,降解率为64.16%。邻苯二酚是苯酚降解的中间产物[27],邻苯二酚既可以促进微生物生长,同时也可能具有生物毒害作用抑制微生物生长[28]。邓维琴等[29]确定了1株鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp. SC-1),其能在48 h降解100 mg·L−1邻苯二酚。程珂珂等[30]发现了1株邻苯二酚降解菌,当邻苯二酚浓度超过400 mg·L−1时,菌株生长会受到明显抑制,邻苯二酚降解率仅能达到45%。当无机盐培养基中含有高浓度邻苯二酚时,菌株B403生长受到了明显抑制,菌株快速进入衰亡期,邻苯二酚无法完全降解,说明高浓度邻苯二酚对菌株有较强抑制作用。在邻苯二酚-LB培养基和邻苯二酚-LB-无机盐混合培养基中,菌株B403能够正常生长,邻苯二酚降解效率也有所提高,表明其他有机碳源的存在可以缓解邻苯二酚对菌株B403的抑制作用。与苯酚、间甲酚底物情况不同,菌株B403在LB培养基中对邻苯二酚的降解效率最佳,这说明无机盐离子的存在对菌株降解邻苯二酚没有促进作用。

    实验结果表明,菌株B403的降解底物具有广谱性,在好氧条件下不仅能够将苯酚作为碳源进行生长和降解苯酚,还能在一定浓度范围内降解间甲酚和邻苯二酚。菌株B403的生长与苯酚降解同步进行,分别以3种酚为唯一碳源时,苯酚和间甲酚对菌株B403生长抑制程度相近,邻苯二酚对菌株生长抑制作用更强。在有其他有机碳源存在时,3种酚对菌株的生长抑制均有缓解,菌株生物量大幅增长,极大地促进了菌株对3种酚的降解。此外,无机盐离子对苯酚和间甲酚的降解也有一定促进作用,而对邻苯二酚的降解没有起到促进作用。

  • 国内外已有一系列酚类降解动力学模型[31],对于酚类底物既是反应基质又是抑制剂的生物降解过程,通常采用Haldane方程来模拟底物降解动力学过程[32]。分别以500 mg·L−1苯酚、邻苯二酚、间甲酚作为底物,降解速率最高的培养基为实验用培养基,苯酚和间甲酚采用LB-无机盐混合培养基,邻苯二酚采用LB培养基,进行降解动力学实验。根据最小抑菌浓度设置浓度梯度,投加菌株B403后,在不同降解时间下测定培养液中3种酚的浓度,对实验数据进行拟合并求出Haldane方程参数。Haldane方程如式(2)所示。

    式中:q为比底物利用速率,h−1qm为最大比底物利用速率,h−1S0为初始底物浓度,mg·L−1Ks为底物亲和常数,mg·L−1KI为底物抑制常数,mg·L−1

    将实验结果在matlab 7.0中进行非线性回归分析,得到所有分离物的动力学参数qmKsKI,如表2所示。可以看出,苯酚、间甲酚、邻苯二酚的降解动力学均符合Haldane方程,拟合情况良好。图7为菌株B403降解3种酚的降解曲线。图7(a)为苯酚降解曲线,完全降解200、400、600、800、1 000、1 200 mg·L−1苯酚所需时间分别为12、15、18、24、30、45 h;图7(b)为间甲酚降解曲线,完全降解100、200、300、400、500、600 mg·L−1间甲酚所需时间分别为9、9、12、15、18、21 h;图7(c)为邻苯二酚降解曲线,完全降解100、200、300、400、500、600 mg·L−1邻苯二酚所需时间分别为9、12、12、15、18、21 h。根据3种酚的降解曲线可知,菌株B403降解酚类污染物的滞后期随着浓度的升高明显延长,不同初始浓度具有相同降解率可能与取样时间间隔有关。

    图8为菌株B403对3种酚的降解速率曲线和拟合降解曲线。当苯酚、间甲酚、邻苯二酚浓度分别超过136.4、87.4、116.1 mg·L−1时,菌株B403对3种酚的比降解速率随着浓度的升高而降低,呈现底物抑制作用,即认为136.4、87.4、116.1 mg·L−1分别为降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度。在降解动力学方程中,若底物抑制常数(KI)越大,说明菌株对底物的抑制越不敏感,底物亲和常数(Ks)越大,说明菌株对底物生物降解的潜能越大,最大比底物利用速率(qm)越大,则表明底物越容易被降解,误差平方和越接近0,R2越接近1,这说明模型拟合得越好。菌株B403对苯酚的KI最大,为69 mg·L−1,这说明实验的3种酚中菌株B403对苯酚的抑制最不敏感,与实验中菌株对苯酚具有最高的最小抑菌浓度的实验结果一致。菌株B403对邻苯二酚的Ksqm最大,邻苯二酚作为苯酚的代谢产物,在有其他有机碳源存在时,邻苯二酚更容易被菌株利用,菌株对邻苯二酚的生物降解潜能最大。由误差平方和和R2可知,使用Haldane模型拟合苯酚、邻苯二酚、间甲酚的降解动力学过程时,间甲酚的拟合效果最佳。

    张玉秀等[33]从焦化废水中分离出1株苯酚降解菌红球菌(Rhodococcus sp.),并用Haldane方程对其降解苯酚的实验数值进行拟合,得到降解苯酚的最佳浓度为234.548 mg·L−1Ks=77.487 mg·L−1。贾子龙[8]从处理模拟焦化废水系统里分离得到1株假单胞菌(Pseudomonas sp.),用Haldane方程对其降解间甲酚进行拟合,得到降解间甲酚的最佳浓度为40 mg·L−1Ks=9.85 mg·L−1。目前关于菌株降解邻苯二酚的降解动力学研究较少,相比于其他研究,菌株B403降解苯酚的最佳浓度较低,Ks高于大部分已报道的菌株,这说明菌株B403对多种酚类污染物生物降解的潜能较大。

  • 1)菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚、对硝基苯酚、2, 4-二氯苯酚和2, 4, 6-三氯苯酚的最小抑菌浓度分别为1 190、630、700、140、70、48 mg·L−1;菌株B403对苯酚、间甲酚、邻苯二酚有较强的耐受性。

    2)菌株B403在含有500 mg·L−1的单一酚(苯酚、间甲酚、邻苯二酚)的LB培养基和LB-无机盐混合培养基中与在含有500 mg·L−1的单一酚(苯酚、间甲酚、邻苯二酚)的无机盐培养基中与相比,生物量和降酚能力大幅提高,其他有机碳源的存在,更有利于菌株B403生长,提高降酚能力,具有广阔的应用前景。

    3)菌株B403在含常规碳源条件下降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚均符合Haldane模型。降解苯酚、间甲酚、邻苯二酚的最佳浓度分别为136.4、87.4、116.1 mg·L−1,菌株B403对3种酚的生物降解潜能较大。

参考文献 (33)

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