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试析细菌降解偶氮染料活性黑5效果在不同糖源影响下的反应

2020-06-01 463 上传者：管理员

摘要：作为纺织业大国，纺织业在我国的国民工业中有着举足轻重的位置，同时纺织业生产的布料也应用于人们生活的方方面面[1]。但是在生产纺织品的过程中，有10%～15%的染料并未充分利用[2]，其所残留的染料和中间产物便直接排放到河湖中，会导致水体生态环境恶化，同时给人们的生存环境带来极大的危害[3,4,5]。

关键词：
活性黑
环境生物学
糖源
细菌
脱色率
降解脱色
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1、引言

作为纺织业大国，纺织业在我国的国民工业中有着举足轻重的位置，同时纺织业生产的布料也应用于人们生活的方方面面[1]。但是在生产纺织品的过程中，有10%～15%的染料并未充分利用[2]，其所残留的染料和中间产物便直接排放到河湖中，会导致水体生态环境恶化，同时给人们的生存环境带来极大的危害[3,4,5]。物理法、化学法、生物法是偶氮染料降解的三类主要方法，其中由于使用物化法处理偶氮染料存在二次污染、费用高昂以及操作技术复杂等缺点[6]，而生物法具有经济环保、能耗污染低、处理效率高等优点[7]，因此在降解印染废水方面，生物法的使用最为广泛。

生物法中以细菌对偶氮染料的处理研究最为成熟[8]。细菌，特别是兼性水解酸化菌群将营养物质如淀粉、脂肪、蛋白质等水解酸化，在此过程中难降解的大分子物质如染料等就转变成易于降解的小分子物质，从而实现脱除色度、降低废水COD、改善废水可生化性的功能。虽然使用细菌对印染废水行脱色降解处理被认为是经济有效的方法[9]，但是往往会由于降解速率缓慢以及基质底物单一等因素而导致脱色效果差。因此若投入最佳糖源，则可以显著提高降解脱色效果。本研究以活性黑5作为研究目标，利用细菌降解偶氮染料，从而讨论糖源种类对细菌脱色染料效果的影响，并从单一糖源、复合营养物和糖源以及染料浓度三个方面研究其对脱色效果的影响，为实际应用中施用合适的糖源从而提高细菌对印染废水的脱色能力奠定理论基础。

2、实验材料与方法

2.1实验材料

2.1.1染料

本实验釆用的是偶氮染料活性黑5，其分子式为C26H21N5Na4O19S6，相对分子质量是991.82，特征峰吸收波长λmax是597nm，它的化学结构式见图1。

图1活性黑5的化学结构式

2.1.2培养基

培养基(1L)：无水硫酸钠0.5g、磷酸二氢钾2.66g、氯化铵0.2g、共基质。

2.1.3细菌

本实验所使用的细菌Klebsiellasp.KL-1是从运行良好的印染废水的酸化反应系统中筛选驯化出来，脱色性能较高。

2.1.4主要实验试剂和仪器

本实验所用到的试剂有无水硫酸钠、磷酸二氢钾、氯化铵、糖源、酵母提取物、蛋白胨、牛肉膏，都是分析纯级别。

本实验所用到的仪器主要有台式高速离心机、压力式蒸汽灭菌锅、紫外可见光分光光度计、培养箱、超净工作台等。

2.2实验方法

2.2.1单一糖源对细菌降解效果的影响

将细菌Klebsiellasp.KL-1按10%的接种量置于含不同糖源(葡萄糖、麦芽糖、乳糖、蔗糖、木糖)的培养基中，使活性黑5在该培养基中浓度为300mg/L。同时，以不加糖源的培养基作为空白，于恒温培养箱内37℃恒温培养，在反应0～72h时，取样进行脱色率测定(分光光度法)，具体做法如下：取溶液2mL，在10000r/min条件下离心10min得到上清液，测量596nm波长处上清液的吸光度值，按下列公式计算：

其中：

A0—降解0h溶液的吸光度值；

At—降解th溶液的吸光度值。

2.2.2营养物加糖源对细菌脱色染料效果的影响

首先将不同种类的营养物，分别复合不同糖源，形成三种营养物加糖源组合，分别为：蛋白胨+糖源、牛肉膏+糖源、酵母提取物+糖源；其次将这三种组合分别添加到培养基中，同时保持该培养基中偶氮染料活性黑5的浓度为300mg/L；然后在250mL的培养基中以10%的细菌量进行接种，并将接种完毕的培养基置于设定37℃条件的恒温培养箱进行恒温培养，按照1.2.1的方法测定0～72h的脱色率。

2.2.3染料浓度对脱色效果的影响

依据2.2.2实验结果，可以筛选出强化效果最好的组合营养物+糖源，并以此为基础，进行接下来的实验。将细菌按10%的接种量置于含最优营养物加糖源组合的培养基中，使染料在该培养基中浓度为分别为300mg/L、400mg/L、500mg/L、1000mg/L、1500mg/L。然后将培养体系置于恒温培养箱内37℃恒温培养，在反应0～72h时，取样进行脱色率测定，并绘制曲线图。

3、实验结果与讨论

3.1单一糖源对细菌降解效果的影响

根据实验方法1.2.1，得到不同单一糖源对细菌降解效果的影响，结果如图2所示。五种不同的糖源对活性黑5的降解脱色效果都较差，其中乳糖脱色率最低，经过36h后脱色率仅为0.09%，而蔗糖最高，为16.71%。与无糖相比，葡萄糖、蔗糖脱色率较高，说明这两种糖源对细菌脱色活性黑5具有一定的促进作用；麦芽糖、木糖与乳糖对细菌脱色活性黑5具有一定的抑制作用。

图2不同糖源作用下细菌对活性黑5的脱色率

3.2营养物对糖源强化细菌降解染料脱色效果的影响

3.2.1蛋白胨+糖源对降解效果的影响

蛋白胨外加五种糖源对细菌降解活性黑5的脱色率变化如图3所示。仅有蛋白胨存在条件下，细菌降解活性黑5的效果较差，而蛋白胨复合不同糖源条件下，细菌降解活性黑5的效果显著，其中蛋白胨复合木糖的组合脱色效果最好，在反应72h后达到了94.93%的脱色率。陈刚[10]的研究表明蛋白胨、牛肉膏添加到细菌降解活性黑5反应系统中可以有效提高脱色率，与我们的研究结果类似。

图3蛋白胨+不同糖源作用下对细菌对活性黑5的脱色率

3.2.2牛肉膏+糖源对降解效果的影响

牛肉膏复合五种糖源对细菌降解活性黑5的脱色率变化如图4所示。由图4可知，仅有牛肉膏存在的条件下，细菌降解活性黑5的效果较差，而牛肉膏复合不同糖源条件下，细菌降解活性黑5的效果显著，其中牛肉膏外加木糖的组合脱色效果最好，在反应72h后达到了96.93%的脱色率。陈晔[11]探讨S8降解活性黑5效果，结果表明，菌株在外来营养物和糖源存在下具有良好的脱色性能。

图4牛肉膏+不同糖源作用下细菌对活性黑5的脱色率

3.2.3酵母提取物+糖源对降解效果的影响

酵母提取物复合五种糖源对细菌降解活性黑5的脱色率变化如图5所示。仅有酵母提取物存在的条件下，细菌降解活性黑5的效果较差，在降解的0～72h内脱色率仍低于60%，而酵母提取物复合不同糖源条件下，细菌降解活性黑5的效果显著，其中酵母提取物外加木糖的组合脱色效果最好，在反应72h后达到了98.05%的脱色率，由结果可以看出，酵母提取物外加五种糖源的组合比单一糖源基质更能促进细菌对活性黑5的降解脱色。

图5酵母提取物+不同糖源作用下细菌对活性黑5的脱色率

综上所述，糖源组合营养物比单一营养物更能促进细菌对活性黑5的降解脱色，其中，木糖复合酵母提取物的组合为脱色效果最佳的复合共基质。因此，选取酵母提取物和木糖作为最佳复合共基质，从而展开下述染料浓度对组合营养物和糖源脱色效果影响研究。

3.3染料浓度对糖源强化细菌脱色效果的影响

不同染料浓度下，细菌利用营养物加糖源组合对活性黑5的脱色率如图6所示。由图6所知，不同浓度的活性黑5均可以达到95%以上的脱色率，因此当脱色时间足够时，细菌对于高浓度的活性黑5仍具有显著的脱色效果，这主要是与脱色细菌的耐受性有关。张金平[12]研究发现共培养的混合体系对于较高浓度的染料具有显著的耐受毒性，与我们的研究结果类似。

图6不同染料浓度下细菌利用营养物加糖源组合对活性黑5的脱色率

4、结论

本文以偶氮染料活性黑5作为研究对象，利用细菌降解偶氮染料，通过将不同糖源、营养物复合糖源添加到反应系统中，从而提高细菌对染料的脱色率，得如下结论：

(1)葡萄糖、麦芽糖、乳糖、蔗糖、木糖这五种单一糖源对活性黑5的脱色效果普遍较差，其中，蔗糖脱色效果最好，当反应时间达到60h后，脱色率达到16.71%，因此，蔗糖被认为是本实验中的最佳糖源。

(2)与单一营养物和单一糖源存在条件相比，三种营养物(蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物)分别组合糖源对细菌降解活性黑5的脱色效果较为显著，并且酵母提取物复合木糖为脱色效果最佳组合。

(3)在木糖和酵母提取物共同存在下，细菌对不同浓度的活性黑5均可以达到95%以上的脱色率，因此细菌对于高浓度的活性黑5仍具有显著的脱色效果。本研究为利用糖源强化实际染料废水的降解提供理论依据。

参考文献：

[1]张淼.蒽醌介体强化偶氮染料的脱色特性及机理研究[D].硕士学位论文.黑龙江:东北林业大学,2016.

[2]卢婧,余志晟,张洪勋.染料微生物降解的方法研究进展[J].工业水处理,2014,34(01):1-4.

[4]刘娜.水解酸化处理印染废水过程中微生物群落结构变化及其优化调控研究[D].博士学位论文.上海:东华大学,2016.

[6]都林娜,李刚,王阳,等.细菌降解偶氮染料的研究进展[J].工业水处理,2015,35(12):1-4.

[7]李威,崔岱宗,何如宝,等.蒽醌类介体强化偶氮染料降解的研究进展[J].环境污染与防治,2015,37(11):90-99.