（环境科学专业论文）吸附菌gx2对蒽醌型染料的脱色作用研究.pdf

塑墅叁堂堡! 兰垡堡兰 坠尘堕! ! 兰! ! ! 些竺竺垒竺璺竺生生生! ! ! ! 一 d e c o l o r i z a t i o no f a n t h r a q u i n o n ed y e sb y a b i o s o r p t i v e s t r a i ng x 2 s p e c i a l i t y ： a , u t h e r ： s u p e r v i s o r e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e z o uq i - m e n g p r o fz h u a n gy u a n y i a b s t r a c t f o u rk t n d so fa n t h r a q u i n o n ed y eb e l o n g i n gt od i f f e l e n tc l a s s e s i e r e a c t i v eb r i l l i a n t b l u e k n r ，d i s p e r s e b l u e2 b l n ，a c i da n t h m q u i n o n e b l u ea n d a n t h m q u i n o n cd y e s i n t e r m e d i a t eb r o m a m i n ea c i d w e r es e l e c t e da st a r g e td y e s s e v e r a ld e c o l o r i z i n gs t r a i n s 、7 e l e s c r e e n e df r o mt h ep o l l u t e ds o i la n di d e n t i f i e d a m o n gw h i c ht h e 尸t e r r e s t r es p g x 2w a s f u r t h e re x p l o r e di nj i sd e c o l o f i z a t i o nc h a r a c t e ro na n t h n a q u i n o n ed y e s t h ee f f e c t so fc a r b o ns o u r c ec o n c e n t r a t i o n ，d y ec o n c e n t r a t i o na n ds a l i n i t y o nt h e d e c o l o r i z a t i o no ft a r g e t 由 c sb yg x 2w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed y e c o n c e n t r a t i o nb r o w s r e l a t i v e t ye v i d e n ti n h i b i t i n g e f f e c to nt h eb i o s o r p t i o na n dd e e o l o r i z a t i o n o fk n r b yg x 2 t h es a l i n i t ye n h a n c e st h eg r o w t ho fg x 2 ，i n c r e a s e si t s s u r f a c ea r e aa n d e v i d e n t l ye n h a n c e st h eb i o s o r p t i o na n d d e c o l o r i z a t i o no f k n r b y g x 2 t h ee f f e c t so fd i a m e t e ro fg r a i l l ，s a l i n i t y , p ha n da d d i n gm e t h a n o la n du r e ao nt h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo f k n r b yt h eg x 2p o w d e r e db i o s o r b e n tw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s u g g e s tt h a ta d s o r p t i o no fk n rb yb i o s o r b e n to c c u ri nt h es u r f a c eo fb o s o r b e n t ，p o w d e r e d b i o s o r b e n ts h o w st h eb e s ta d s o r b a b i l i t yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fl o wp h ，a n dm e t h a n o la n d u r e ae v i d e n t l yw e a k e nt h e a d s o r p t i v ec a p a c i t y o fp o w d e r e db i o s o r b e n t t h ee s t i m a t e d t h e r m o d y n a m i cp a r a n e t e r s f u x t h e rs u g g e s t st h a t p h y s i c a la d s o r p t i o nw a st h ed o m i n a n t m e c h a n i s mf o rt h ea d s o r p t i o no f k n r b yp o w d e r e db i o s o r b e n t f i v ek i n d so fa c t u a lw a s t e w a t e r s ，w h i c hw e r ea b u n d a n ti nb i o d e g r a d a b l eo r g a n i s m ，w e r e c h o s , ；e ha st h ec a r b o ns o u r c e so fg x 2a n dt h er e m o v a lo f d y e sa n dc o d o fc a r b o ns o u r c e w a s t c w a t e r - d y em i x e ds o l u t i o na n dc a r b o ns o u r c ew a s t e w a t e r d y ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e r m i x t u r eb yg x 2w a si n v e s t i g a t e d 。t h er e s u l t ss h o wt h a tg x 2c a np r o l i f e r a t eq u i c k l yt ob e t h e s u p e r i o rs t r a i ni na c t u a l i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n dm e a n t i m et h ec o l o ra n dc o d w a s r e m o v e d e f f i c i e n t l ya n d a c h i e v et h eg o a lo f t r e a t i n gt h ew a s t e sw i t h w a s v e s k e y w o r d s ：d e c o l o r i z a t i o n ，b i o s o r p t i o n ，d y e ，a n t h r a q u i n o n ed y e ，pt e r r e s t r es p 1前言 一一 前 - ：、一 丘 1 1 染料及染料废水概论 1 1 1 染料的分类 染料按性能和染色方法可分为直接染料、酸性染料、会属络合染料、不溶。盹偶 氮染料、还原染料、硫化染料、分散染料、活性染料、阳离子染料、缩聚染料等。 按照染料的结构，以及染料的合成方法又司分为偶氮染料、憋醌染料、硝基及业 硝基染料、靛族染料、三芳甲烷染料、菁类染料、杂环类染料等。据1 9 9 8 年统计 数字，全世界染料年产量已超过7 1 0 5 吨，品种也达万种以上，其中偶氮染料和葸 醌染料产量最大，分别占全世界合成染料生产总量的7 0 和2 0 左右口i ( 图1 - 1 ) 。 在染料分子结构中，凡是含有偶氮基( 一n = n 一) 的统称为偶氮染料，其中偶 氮基常与芳香环( 苯环、萘环及杂环) 系统相连构成一个共轭体系而作为染料的 发色基团。以蒽醌或其衍生物所合成的染料，或是在染料分子中具有葸醌结构的 染料都称之为葸醌染料。与偶氮型染料相比，蒽醌型染料生产工艺更为复杂，生 产成本更高，而且生产废水对环境的污染更为严重。 目前有关染料废水的生物脱色研究，国内外报道较多的是偶氮染料，而对于产 量次于偶氮染料的葸醌染料，却报道很少。 1 1 2 蒽醌型染料的特点 葸醌染料种类多、使用广，在酸性染料、弱酸性染料、活性染料、分散染料、 还原染料和可溶性还原1 染料中均有分确j 。葸醌型染料色泽鲜午色，色嘴范围较宽； 1前言 从其发色结构来看，染色时不易发生水斛和还原作用，刑晒、稳定、2 i 三度也好。 一些天然染料如茜素和胭脂红酸均属于葸醌衍生物1 3 】。可以肯定在未米的染料j ：业 中，葸醌型染料仍将继续占有相当重要的位置。但部分葸醌染料如酸性和活性染 料分子结构上含有磺酸基，故水溶一p - i - ：好，难以用传统方法使其絮凝沉淀而脱也， 加之其母体骨架葸醌两边的苯环同时受两个羰丛影响，结构稳定t 不易生物降解， 在环境中有较长的滞留期；更为，重的是，一些蒽醌染料还具有致癌性和致突变 性。因此葸醌染料的污染已成为值得人们关注的环境问题，i 司时一些学者也已” 啭8 0 3 “擀h 2h 。，皖s 0 3 n i 分散蓝2 b l n j 性慧酿蓝活性艳蓝k n - r 图卜2 四种蒽醌染料的分子结构式 始了对葸醌染料生物处理和脱色的研究。图卜2 列出本论文研究的4 科1 主要蒽醌染 料的分子结构。 1 1 3 含染料废水的来源及主要污染物 含染料废水主要来源于印染工业和染料生产两大行业。 印染工业是用水量最大的行业之一，废水的排放量亦非常大，平均印染加工1 吨织物的废水排放量大约为1 0 0 2 0 0 f l , 屯，c o d 为1 0 0 k g i ”。废水中含有染料、染色助 剂、浆料、表面活性剂、油脂、纤维索、果胶以及各种无机盐类、金属离子等， 因此纺织印染废水具有色度高、水量大、组分复杂且多变的特点。由于染料、染 化助剂及浆料等物质的生物难降解性和生物毒性，加之浓度、流量和组分的不断 变化，使得传统的生物处理方法对纺织印染废水的c o d 去除率仅6 0 7 0 ，脱色率 也仅5 0 左右吼 染料工业的废水排放量也很大，平均生产1 吨染料排放的废水量约为3 0 1 0 0 吨； 而且由于染料工业具有品种多、产量小、工艺流程长，产品更新快等特点，因而 染料工业废水成分非常复杂，不仅含有染料、染料中间体及各种辅料；有的还含 有汞、镉、铬等重金属和无机盐类；染料工业原料利用率低，一般成品收率仅3 0 ， 废水有机物含量极高，而且大多为含有硝基、氨基、氰基的有毒有色化合物，加 之废水水质与组分多变，使得染料工业废水成为浓度、色度、赫度高而生化处理 性极差的有机工业废水，传统的生物处理法对其几乎不起作用，尤其是色度的去 除已成为严重的环境问题i “。图1 3 为典型葸醌型染料活性艳蓝k n r 的原料( 不包 括各生产流程的用水) 及收率图，直观地说明了上述染料生产废水的各种特点【7 l 。 虽然印染废水和染料生产废水等含染料废水的水质组成差别很大，但由于都含 有染料，色度很高，因而含染料废水所面临的一个重大的环境问题就是色度的去 除，因为即使水体中的染料只有极低的浓度，也会造成强烈的视觉冲击和美学损 前言 害，影响受纳水体的正常功能i ”。而且由于染料对太阳光的吸收，导致水体透光率 降低，抑制水体中光合作用的自然过程，并进而影n 向到各级消费者的牛长= ，使整 个水生生态系统的多样性下降i 9 ”】。 从总体来讲，染料虽不缘农药那样，l 订 良强的急。卟，眵p l d 4 i 川，f i 嘲j 分染利l ! 三 现出较强的毒性作刚，如蒽醌染料s b b 埘月芽藻j l f j 3 藻类n 勺生长抑制j i 计幢c ，。为 2 4 m g l 1 ；而咕吨染料p h l o x i n eb 对d p n l e xn e o n a t e s 的毒性更强，其4 8 4 时l c 5 0 ( 9 5 f l ) 是0 4 2 3 ( o 3 7 6 0 4 7 7 ) m g l i ”1 ；更加严重的是，无论在偶氮染料、葸 醌染料，还是三苯甲烷染料中都已发现具致突变性和致癌作用的品种“3 。“】，而偶氮 染料的还原降解产物芳香胺更是大家早已熟知的致癌物。染料作为一种结构稳定 的有机化合物，具有抗酸、抗碱、抗光、抗微生物特性，在环境中有较长的滞留 期】，因此染料对环境的负面效应不仅在于它的色度和c o d ，而且在于它的潜在 的健康危害1 1 8 j 。 f = = = 刁硫酸铜( 工业品) 。4 0 7 公斤 精盐( 工业品 6 0 7 公斤 氯化钾( 工业 1 4 9 6 公斤 轻质碳酸钙( 1 0 9 0 公斤 活性炭( 工业 3 3 0 公斤 硫酸( 9 8 ) 7 5 0 0 公斤 1 5 5 4 4 公斤原辅料 1 0 0 0 公斤 活性艳蓝k n r 成品 图1 3蒽醌型染料活性艳蓝k n r 生产原料及收率示意图 此外，含染料废水排放量大、污染面广，仅在中国每年就有超过1 6 1 0 ，吨的 废水未经任何处理而直接排入受纳水体，给整个水生生态系统带来破坏性后果。 这就要求含染料废水在排入受纳环境之前，必须进行处理，尤其是色度的去除。 1 2 含染料废水处理和脱色 1 2 1 含染料废水处理和脱色的常规方法 目前在工业上应用的含染料废水的处理和脱色方法主要有以下几种。 ( 1 ) 化学絮凝法 将低浓度染料废水，经中和处理后，加入混凝剂絮凝沉降。 霾日国 嗍 伽 训 衍 浙斯 | | 斯断 叭娇 一一 一 固日固曰固 前言 混凝剂有硫酸亚铁、聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等。废水的絮凝沉降 的处理效果，决定于助凝剂和絮凝剂的选择和用量、废水的p h 值利混凝的水力条 件。该法能有效地去除水溶性很差或不溶性的染料，但对于水溶性染料如酸性和 活性染料则去除效果很差n 9 ，：o 】；而且由于投药量较大，沉渣较多，容易造成二次污 染1 2 1 】，同时絮凝的染料还面临进一步处理的问题| 2 i 。化学絮凝法般可女除色度 7 0 8 0 ，c o d 去除率4 0 5 0 。 ( 2 ) 气浮法气浮法一般与絮凝法相结合。x , - - - j 二不溶性染料( 冰染、硫化、分 散、还原染料) 及中间体废水的c o d 为6 0 7 0 ，色度去除率为8 0 - 9 0 。j 司时对会 属、油脂类亦有较好的净化作用川。 ( 3 ) 吸附法常用于含染料废水处理和脱色的吸附剂有活性炭、活性硅藻土、 活化煤、活性白土、褐煤和高分子吸附剂等。各种吸附剂对不同类型染料生产废 水的吸附能力是有差异的，即吸附剂有选择性，对于水溶性的染料，吸附速率快， 脱色效果好。但由于易于饱和，不宜用于高浓度废水处理；对于不溶性染料，由 于它们的溶解度低，故吸附时间很长，活性炭对它们几乎完全不能吸附或很少吸 附。对于不宜用生物法处理的废水，或生物法处理后达不到排放标准的废水，可 用吸附法处理。如果废水中含有机物浓度高，采用活性炭吸附处理是不经济的。 ( 4 ) 氧化法这种方法是通过强烈的氧化作用，以破坏水中的有机物，从而 达到较彻底的脱色、去毒、去味和脱臭的目的。它是目前染料废水处理研究的主 要课题之一。可采用的氧化法有臭氧氧化、如氯氧化、射线氧化、光氧化、电镅 氧化、湿式空气氧化、燃烧和硝酸空气氧化等。中国在臭氧氧化和光氧化方面已 经取得定成就。一般说来，臭氧对亲水性染料( 如直接染料、酸性染料、碱性 染料、活性染料等) 脱色速度快，效果好；对疏水性染料( 如还原染料、氧化染 料、硫化染料、分散染料和涂料等) 脱色和处理效果差，用量大。用臭氧来处理 含c ，的金属络合染料废水，反而生成毒性更强的c r 6 + ；而且由于设备费用高，耗 电量大，故处理费用很高，难以大规模应用1 2 3 1 。光氧化法是利用光和氧化剂共同 产生一种强烈氧化作用，对废水中污染物进行氧化分解，可以基本上去除废水中 的c o d 矛a b o d 。光氧化法常用的氧化剂有臭氧、氯、次氯酸、空气、双氧水等； 光源是紫外线( 但要判明何种特定波长对何种染料最为有效) 。这种方法氧化能力 强，不产生污泥，设备较紧凑，但耗电量较大| 2 4 驯。 ( 5 ) 生物法生物处理方法是世界范围内处理印染废水和染料废水一直使用 的主要方法，以活性污泥法、生物膜法为代表的传统生化处理方法有着简便易行、 造价较低等优点，对废水中b o d 的降解率很高，得到了广泛的应用。随着新型染 料品种的增多以及印染过程中的新材料! t t p v a 浆料、人造丝碱解物、新型助剂等难 生化降解有机物大量进入废水，传统的生物处理方法已很难胜任印染及染料工业 废水的处理。 尽管上述各种方法都曾纳入一定程度处理的体系中，但是无论用那一种方法都 难于单独进行充分的处理，- 特别是在污染控制的法律日趋，一格的今天，产生了把 这些处理方式中的几种配合起来使用的必要。如絮凝一臭氧联合作用、生化一吸 附法等等【2 6 l 。现状是，它们之中无论哪一种方式，都要综合要处理的实际废水的 一一 !堕 三 一 -_一一一一水质、水量条件及其它各种条件，根据具体情况选择效率最高，经济性最好的方 法。实际上到目前为止，还没有一种经济而且有效的方法可以将染料工业废水处 理至废水排放二级标准以下，有的工厂和某些产品只好被迫停止生产，大部分废 水未经任何处理丽直接排放至环境中。 1 2 ，2 生物强化技术应用于含染料废水处理和脱色的研究 生物强化处理技术，即利用特定微生物对常规生物处理方法不能去除的污染物 的特殊去除能力而发展起来的新型处理方法，在实际污染处理，尤其是土壤的生 物修复中已得到较为广泛的应用【2 7 】。将生物强化技术应用于传统的活性污泥法难 以处理的含染料废水的处理，即利用具有商效降解、絮凝或吸附性能的特定微生 物菌株用于含染料废水的处理和脱色，被认为是一种经济、高效、安全、环境友 好、易于操作和适于大规模废水处理的技术，更是受到人们的极大关注，成为国 际上染料废水处理和脱色研究的热点。 ( 1 ) 生物降解 筛选或构建针对特定染料具有降解或同化作用的菌株，并确定它们的作用条件 和反应机理，是含染料废水生物处理和脱色研究的主要内容之一。 污染物的生物降解可分为以下4 个层次： 污染物的分子空间结构发生变化，从而失去某些特性，在测试时不能发现 该物质的存在； 污染物分子结构中的某些基团发生变化； 有机物发生裂解； 降解性微生物发生作用，有机污染物彻底转化为c 0 ：、h ：0 等矿物质。 我们把生物参与处理而污染物质又不发生以上4 种或处理周期内不发生转变的 过程称为非降解性生物处理，如生物絮凝、生物吸附等等。因为污染物的生物降 解是个耗时的过程【2 8 l ，而且降解产物的毒性有时要大于本底化合物( 如偶氮染料 降解产物芳香胺的毒性要远大于偶氮化合物口”) 。所以研究染料废水的非降解性生 物处理有一定的意义和必要性。 ( 2 ) 生物絮凝 由于传统的化学絮凝脱色法易产生大量污泥，造成二次污染，7 0 年代以来以日 本学者为首，对生物絮凝剂产生菌开展了大量研究生产出成本较低，无二次污 染的生物絮凝剂，并用于自来水处理及从废水中脱除悬浮物1 3 0 。”。但用生物絮凝剂 脱除染料废水色度，国内外都处于初级尝试阶段。但要使生物絮凝剂真正应用到 染料废水脱色中，还必须在生产成本降低、高效絮凝剂开发、絮凝机理研究等方 面开展大量工作。 ( 3 ) 生物吸附 利用具有富集或吸附染料能力的特定微生物用于染料废水的脱色，是生物法脱 色的又形式。生物吸附不会产生有毒的代谢产物，而且还有可能为含染料废水 的大规模处理和回收提供一条经济可行的途径，许多学者正尝试用生物吸附的方 前言 法脱除染料废水色度。 有关生物吸附用于染料脱色的研究，国内外报道较多的是偶氮染料，而剥于产 量仅次于偶氮染料的葸醌染料，却报道很少。在本论文中，我 j j n 用自行筛选的 吸附菌g x 2 对四种不同类型的葸醌染料，即活性艳蓝k n r 、酸性葸醌蓝、分敞蓝 2 b l n 和葸醌染料中间体溴氨酸，在吸附特性、吸附机理和应用等3 方丽进行了深 入的研究。 1 3 生物吸附用于污染治理的研究进展 1 3 1吸附现象与吸附的类型 在两相界面上，一相中的物质或溶解在其中的溶质向另一相转移和积聚，使两 相中物质浓度发生变化的过程称为吸附。吸附可以发生在液一固、气一固等的界 面上，因此，吸附可以看成是一种表面现象。污染控制领域最常用的吸附是活性 炭对溶予水中的污染物的吸附，活性炭被7 k 包围的区域是一个界面，在这个界面 产生吸附。 根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附 等三种类型1 3 ”。 ( 1 ) 物理吸附 吸附剂和吸附质通过范德华力产生的吸附称为物理吸附。这是最常见的种吸 附现象，与吸附剂的表面积、细孔分布有密切的关系。发生物理吸附时，一种吸 附剂可以吸附多种物质，但出于吸附质性质的不同，吸附的量有所差别。出刁：i 驶 附在固体表面的分子，对再碰撞上去的分子仍存在范德华引力，所以物理吸附不 但可以在表面上吸附一层分子，也可形成多分子层。同时，由于这类吸附的作用 力较弱，解吸( 脱附) 也较容易进行，所以物理吸附是可逆的，在吸附的同时被 吸附的分子由于热运动还会离开固体表面。物理性l 吸附的吸附热较小，一般是 2 0 9 - - 4 1 9 k j t o o l ，因此在低温条件下即可进行吸附。 ( 2 ) 化学吸附 产生化学吸附的作用力是化学键力。在化学吸附的过程中，可以发生电子的转 移、原子的重排、化学键的破坏与形成等过程，吸附剂的表面化学性质和吸附质 的化学性质对化学吸附有直接的影响。此类吸附有明显的选择性，即某一种吸附 剂只对某些物质才会发生吸附作用。由于此类吸附的作用力是化学键力，故为单 分子层吸附。化学吸附与一般在圆体表面上发生的化学反应很类似，放出的热量 很大，一般约在4 2 4 2 0 k j t o o l 范围内，和化学反应热的数量级差不多，而且被吸附 的物质在固体表面比较稳定，不易解吸。当温度升高时可加快化学吸附的速度， 故化学吸附常在较高的温度下进行。 ( 3 ) 交换吸附 种物质的离子由于静电引力积聚在吸附剂表面的带电点上。在吸附过程中， 吸附个吸附质的离子，吸附剂同时要放出一个等量的离子，即离子交换。离子 前言 的电荷是交换吸附的决定因素。 1 3 2 生物吸附概述 生物吸附是指物质通过共价、静电或范德华力的作用吸附在生物体表面的现 象，如大气中的尘埃、细菌、重金属等能被吸附在植物叶片上；水体中的颗粒物 及一些污染物也能被水草、藻类和鱼贝类所吸附。生物吸附作用也与表面积有关， 细微的细菌、藻类等相对表面积最大，其吸附能力也最强。 需要指出的是，生物吸附并非是与物理吸附、化学吸附、交换吸附并列的一类 概念。仅从现象而言，我们可以将吸附分成生物吸附和非生物吸附两类，而如果 究其吸附机理，生物吸附亦将分属于上述三种吸附类型的一种或几种。同时，也 有必要将生物吸附与生物学领域的另外几个概念如生物积累、生物富集、生物放 大等区别开来。生物在其整个代谢活跃期内都在通过各种途径从周围环境中蓄积 某些元素或难分解的化合物：一是各种藻类、菌类和各种原生动物等，主要依靠 体表直接吸收；二是高等植物，主要靠根系吸收；三是大多数动物，主要靠吞食。 这三种行为从微观角度看都是一种吸附，生物的这种生理行为已在污染控制和防 治领域得到广泛应用。 本论文中所言及生物吸附特指微生物体对特定元素或化学物的摄取和积累，所 言及生物吸附剂亦特指针对特定污染物筛选或构建的具有特殊去除污染物能力的 微生物菌株。 1 3 3 生物吸附用于污染防治领域的研究进展 应用生物吸附剂去除水中的重金属，国内外已有大量研究报道 3 5 - 4 4 】。近年来， 运用生物吸附去除水中有毒有机物，尤其是农药的研究也有不少报道 4 5 - 5 0 i 。山于生 物吸附不象生物降解，不会产生有毒的代诩产物，而且还有可能为含染料废水的 大规模处理和回收提供一条经济可行的途径，因此越来越引起环保专家的注意， 各国研究者也已开始尝试用生物吸附的方法脱除染料废水色度，尤其是水溶性染 料如酸性和活性染料的色度去除。 从现有资料看，具有高效吸附染料特性的菌株在细菌、酵母菌和真菌中均有分 布。h u t ”】 艮道从纺织工厂土壤中分离的一株a e r o m o n a ss p 对红色染料r g 表现出很 强的吸附脱色能力，吸附量达2 7 4 l m g g ，而且吸附等温线符合f r e u n d l i c h 模式，主 要吸附位点存在于细胞壁上。在此基础上，h u 又考察了包括一e r o m o n a ss p 在内的3 株g r a m - n e g 细菌和2 株g r a m - p o s 细菌对活性染料的吸附脱色作用，发现爿e r o m o n a ss p 具有最大的吸附脱色活性。而且g r a m - n e g 菌的死体表现出比活体更高的吸附性能。 另外还发现，随者p h 的降低，染料的吸附量不断上升”“。 除a e r o m o n a ss p 夕 ，马克斯克鲁维氏酵母菌对多种染料也表现出很高的亲和 力，而且在所试的5 种染料中，有3 种染料的吸附符合l a n g n m i r 模式s 3 1 。 真菌中具有吸附脱色能力的菌株则相对较多。 在研究白腐真菌对染料的生物降解过程中，就有不少学者观察到白腐真菌对染 前言 料的吸附脱色行为 5 4 - 5 5 】。另外，小克银汉褥属c u n n i n g h a m e l l ap o l y m o r p h a 对分散染 料也表现出广谱的吸附脱色能力，在1 2 0 h 内可使1 7 种受试分敞染料的| z 均脱色率 达到9 3 ；在5 0 0 m g l 下，可使分敞绿6 0 的脱色率达9 0 t 5 ”。肉色拟层孔菌则对阳 离子染料表现出卓越的吸刚性能，对所试的3 利，m 离予染料的饱和吸刚计分刖达 o r b g5 0 3 1 m g g 、o b g5 4 5 2 m 窖、o r g t l6 4 39 m g g ，而且随着p - i 的下降，吸 附量也下降【”1 。黑色曲霉对活性偶氮染料p r o c i o nb l u em x g 的吸附作用更强，在 1 2 0 h 的平撕时f c l j 内和酸性条件下可彳! ： 至1 j 9 9 的脱也率i ”i 。 p a g g a 等通过静态和动态吸附实验，对水溶性不同的几种染料在不同条件下所 发生的吸附过程进行了研究，得出如下结论i ”i ： 染料种类对吸附的影响。分子量较大，溶解度不高的分散染料易发生吸附， 而小分子的酸性染料则不易发生吸附； 染料浓度的影响。一般来说，浓度越低，脱色率越高； 受试时间的影响。受试时问最长的实验为6 天，时间对脱色影响不明显，但 如果出现几天后的脱色率突然上升，则一定是发生了生物降解； 无机介质硬度的影响。水的硬度增加能够促进i 吸附的进行。 为了了解微生物吸附剂对染料的吸附机理，o a l l a g h e r 等对丝状真菌米根霉 r h i z o p u so r y z a e2 6 6 6 8 对合成染料活性l e v a f i xb r i l l i a n tr e de 4 b a 的吸附脱色作用 进行了研究，发现吸附行为可以用f r e u n d i i c h 署t l l a n g m u i r 方程进行描述，这说明吸 附是一种复合机制并进入一个多相表面。用高压处理、0 1 mn a o h 处理和c a 2 + 加入 都促进了吸附。孔隙率和表面积测定证实高压处理增加了表面积和单层体积，因 此增加了染料的吸附。用n a o h 处理增加吸附容量则是由于菌体的几丁质脱乙酰几 丁质暴露的结果。扫描电镜则显示了菌体开放的孔隙和多相结构，这些结果都表明 吸附属于物理性吸附【6 “。 1 4本论文研究内容 考虑到蒽醌染料带来的严重环境问题以及目前对它们的污染控制状况，本文着 眼于蒽醌染料生物处理和脱色的实验原理研究，为开发商效、经济且安全的合葸 醌染料废水的新型生物处理方法和生化反应单元的设计提供理论依据，我们选择 蒽醌型染料中间体溴氨酸以及三种产量大、使用广、但属于不同类型的葸醌染料 即分散蓝2 b l n 、活性艳蓝k n r 和酸性蒽醌蓝作为处理对象，用自己设计的营养要 求较低的培养基，从染料厂污染地分离出近千株耐受菌株，并从中筛选出多株高 效脱色菌，对其中l o 余株脱色效果好、脱色速度快的菌株进行了鉴定，本论文的 主要实验菌株g x 2 属青霉菌属土壤青霉系。 本论文的主要研究内容可以概括如下： ( 1 ) g x 2 对活性艳蓝k n r 的脱色特陛研究 在研究g x 2 生长菌体对4 种葸醌染料即分散蓝2 b l n 、活性隐蓝k n r 、酸性蒽醌 蓝和蒽醌型染料中间体溴氨酸吸附作用的基础上，重点考察了碳源浓度、染料浓 度和盐度对g x 2 生长菌体对活性艳蓝k n r 的吸刖作用的影响，并对g x 2 生长菌体、 前言 静止活体和死体对k n r 的吸附性能进行了比较。 ( 2 ) g x 2 对蒽醌染料( 以活性艳蓝k n r 为例) 的脱色机理研究 为了探讨生物吸附剂对染料的吸附机理，以g x 2 粉状生物i 吸附剂列活性绝蓝 k n r 的吸附为代表，借助吸附等温线年l l f r e u n d l i c h 方程，考察了粉j 状吸附剂颗粒大 小、盐度、p h 、以及用于破坏j ( i c 水川! i 作川的i i i 雕和j 球的_ l j 】i 入刈吸刚剂i 蚁附r i ：能 的影响，并计算了吸附过程的h 、g 和as 等热力学参数。 ( 3 ) g x 2 用于实际含蒽醌染料废水处理的初步研究 为了更深入地了解高效吸附菌在实际废水处理中应用的可能性，着眼于以废治 废的原则以降低处理成本，选用五种代表不同行业特点但都富含易生物降解有机 物的实际废水作为碳源或全部营养源，通过对处理前后碳源废水一染料混合液的 c o d 值与色度值的比较，考察了g x 2 对营养源废水和染料及染料废水混合液的c o d 和色度的去除能力。 2吸附菌的筛选及鉴定 2吸附菌的筛选及鉴定 包括染料在内的人工合成化学品的难生物降解性，一方面是源于化学品本身稳定 的化学结构，甚至很强的毒性作用；另一方面则是由于环境中微生物对人工合成外来 化合物的陌生性所致。因此当人工合成化学品在环境中存在一定时期后，环境微生物 就有可能通过突变或适应产生对外来化合物的耐受性，甚至降解性；原来属于难生物 降解的物质就有可能变成可生物降解物质。从受污环境中筛选针对某种难降解物质具 有耐受性和降解性的特定微生物，并研究其最佳的作用条件和作用机理，对难降解有 机物的处理有着重要意义。因此我们从染料厂污染地采集土样，用自己设计的营养要 求较低的筛选培养基，筛选分离出多株蒽醌染料的高效脱色菌，并对它们进行了鉴定。 2 1 高效脱色菌的筛选 2 1 1目标染料的选择 选择4 种不同类型的蒽醌染料，即蒽醌型染料中间体溴氨酸、活性艳蓝k n r 、分 散蓝2 b l n 和酸性葸醌蓝作为目标染料( 结构式见图1 。2 ) 。其中溴氨酸由天津理工学 院和浙江东港集团提供，其余由天津染料七厂提供。 2 1 2 筛选培养基 细菌筛选培养基葡萄糖，2 5 9 ； n h 。c i ，l g ；k 2 h p 0 4 ，l g ；m g s 0 4 7 h 2 0 ， 2 0 0 m g ；f e s 0 4 7 h 2 0 ，1 0 m g ；c a c l 2 ，1 0 r a g ：酵母膏，2 0 0 m g ；，染料，3 0 1 2 0 r a g ； 去离子水1 0 0 0 m l 。p h7 7 5 。 放线菌筛选培养基可溶性淀粉1 0 9 ：k n 0 3 ，l g ；k 2 h p o 。3h 2 0 ，0 5 9 ；n a c i ， 0 5 9 ；m g s o n 7 h 2 0 ，0 5 9 ；f e s 0 4 7 h 2 0 ，1 0 r a g ；染料，3 0 1 2 0 r a g ：去离子水，1 0 0 0 m l 。 p h7 75 。 一1 0 一 2吸附茵的筛选及鉴定 真菌筛选培养基葡萄糖，5 9 ；k h 2 p o 。，1 9 ；( n h 。) 2 s o 。，1 9 ；m g s 0 4 7 h 2 0 ， 0 5 m g ；酵母膏，2 0 0 m g ；盖加拉红，3 0 m g ：染料，3 0 1 2 0 r a g ；去离子水，1 0 0 0 m 。 p h5 5 6 。 注1 ：用前向己灭菌的放线菌筛选培养基中力入1 0 酚，每2 0 0 m l 加入1 滴：向真菌筛 选培养基中加入l 链霉素，每1 0 0 0 m l 舢入3 m l 。 注2 ：脱色菌的筛选为梯度富集筛选，起始染料浓度为3 0 m g l 。筛选过程中4 i 断增：f j | j 染 料浓度，最终达1 2 0 m g l 。 2 1 3 筛选步骤 ( 1 ) 土样采集。 选择天津第五、第七、第九染料厂，浙江东港集团染料厂，山西临汾染料厂等生 产规模大、时间长、污染严重的染料生产厂，从它们的厂区地表土、厂房附近土、排 污沟底泥及两侧土中广泛采集土样。 ( 2 ) 土样处理。 从每个土样中称取1 0 9 加至9 0 m l 放有玻璃珠的去离子水中，剧烈震荡5 r a i n ，制 成土壤悬浊液。 ( 3 ) 筛选培养。 圾上述土壤悬浊液0 2 m l 加入含有筛选培养液5 0 m l 的2 5 0 m l 的锥肜瓶。h5 0 个土样的加入量共计1 0 r a l 。在3 0 。c 、1 2 0 r p m 下进行振荡培养，每5 天更换一次培养 液，即取出1 0 m l 原培养液加入5 0 m l 新鲜培养液中。由于所采土样色度很深，本身 已含有定量的染料，故在开始时用不含染料的筛选培养液进行富集培养，1 0 天后则 用含梯度浓度染料的筛选培养液进行富集筛选，染料浓度分别为3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 p p m 。 ( 4 ) 耐受菌的分离纯化。 。 将在1 2 0 p p m 浓度梯度培养1 0 天的筛选培养液涂布于含有同浓度染料的平板上， 置于3 0 培养箱中培养一定时间后( 细菌3 天、真菌4 天、放线菌5 天) ，通过对比 菌落的形态、质地、颜色、大小等，将可能属于不同利，的菌株分离并接种于含染料的 2吸附菌的筛选及鉴定 斜面培养基上进行培养。 ( 5 ) 高效脱色菌的筛选。 分别配制含不同染料( 浓度均为1 2 0 p p m ) 的培养液，分装于5 0 m l 锥肜瓶中，每 瓶加入量为1 0 m l 。向培养液中接入已分离的各耐受菌并摇床培养，3 天后先通过h 测筛选出脱色性能较好的菌株，在此基础上借助分光光度计精确测定具有较好脱色性 能菌株的脱色率。 2 2筛选结果及菌株鉴定结果 2 2 1筛选结果 经过近两个月的富集筛选，共分离出4 利，葸醐染料的耐受曲近干株。在此牲础上 进一步筛选出1 7 株高效脱色菌，结果列于表2 1 。 表2 - 1兰种培养基中筛选出的4 种蒽醌染料的高效脱色菌株 培养基类型澳氨酸活性艳蓝k n r酸性蒽醌蓝分散蓝2 b l n 细菌筛选培养基未筛出 g x 2 、a k 2 6s a k 2 、s a k 3 a l 2 放线菌筛选培养基b x 2 6b j 2 4b s 2 6b l 2 3 、b l 2 5 真菌筛选培养基c x 4c k 8 、c k l 0 、c k l lc x l 、z d 2 0c l 3 9 在所筛选的两株溴氨酸高效脱色菌中，b x 2 6 为细菌，在含溴氨酸的b 培养液中 培养7 2 h 后，培养液由溴氨酸的鲜红色变成无色，而离心后的菌体为淡黄色，也不带 有溴氨酸的红色，故此推断b x 2 6 为溴氨酸的降解脱色菌株。c x 4 为真菌，在含溴氨 酸的c 培养液中培养7 2 h 后培养液几乎变成无色，菌体里颗粒状沉于锥瓶底部，通体 表现出溴氨酸的鲜红色，推断c x 4 为溟氨酸的吸附脱色菌株。所筛出的六株活性艳 蓝k n r 的高效脱色菌均为真菌，其中g x 2 脱色最快，培养3 6 h 后即可使浓度y , j1 2 0 p p m 的活性艳蓝k n r 完全脱色；而且吸附有活性艳蓝k n r 的g x 2 颗粒状菌体固液分离 性能极佳，上清液无色透明。所筛出的五株酸性葸醌蓝的高效脱色菌也都为真菌。虽 一1 2 2吸附菌的筛选及鉴定 然五株菌都不能使浓度为1 2 0 p p m 的酸性葸醌监完全脱色，但z d 2 0 表现出高达9 5 的脱色率，而且形成固液分离性能较好| q 颗粒状协体，j ”i 蒲体射较l - e p q 株多，i = 8 明z d 2 0 具有较强的生长能力及染料吸附能力。所筛的四株分敝蓝2 b l n 脱色菌中， b l 2 3 、b l 2 5 、c l 3 9 为真菌，培养7 2 h 后均可使浓度为1 2 0 p p m 的分散简2 8 1 ，n 完伞 脱色，吸附有染料的菌体也沉积于底部；a l 2 则为吸附脱色细菌菌株，将与h 标染料 培养7 2 h 的a l 2 离心后，发现菌体表现出目标染料的蓝色，而上清液的染料吸光度 显著降低，脱色率达9 5 。 2 2 2 菌株鉴定结果 鉴定高效脱色菌1 7 株，经肉眼观察其中1 5 株为丝状真菌，2 株为细菌。1 5 株真 菌经平板菌落特征观察；经小室培养，显微镜观察其菌丝特征，生殖菌丝、生殖器官 及孢子特征，鉴定它们分别属于真菌门、半知菌亚门、丝孢纲巾的青霉属、露屈、 木霉属、葡萄穗霉属和交链孢属。2 株细菌经多次分离纯化，转接斜面后经形态学及 多种生理生化反应分析后，鉴定它们分别属于黄杆菌属和棒状杆菌属。具体鉴定结果 见下表2 2 、表2 3 、表2 - 4 。 表2 2丝状真菌鉴定结果 菌落特征 分生孢子阶段 菌种编号 质地颜色孢子梗分生孢子形状纹饰鉴定结果 c s l絮状绿色对生、束生近球形光滑木霉属 c k - 1 0絮状绿色互生椭圆形光滑木霉属 a k 2 6绒毛状黑色分生孢子头球形有小刺、。黑曲霉属 s a k 2绒状褐绿色直立椭圆形光滑葡萄穗霉属 s a k 3粉状褐色短直棒状有分隔交链孢属 一1 3 2吸附菌的筛选及鉴定 表2 - 3青霉属分系鉴定结果 菌落特征分生孢子阿段 菌种 渗b 背边 分生分生 菌 分系 编号 质地颜色出 1 帚状枝形状孢子孢子纹饰 核 液 昧颜色 梗形状 z d 2 0 毛状灰绿无 无 乳白单轮分枝较长椭圆光滑 无 常规青霉系 b l 2 3 毛状灰绿 无无乳白双轮不对称较短圆光滑无短密青霉系 b k 2 4 绒状绿无无乳黄双轮不对称短椭圆光滑 无草酸青霉系 b l 2 5绒状绿无无乳黄双轮不对称短椭圆光滑无草酸青霉系 b s 2 6 绒状绿无无乳黄双轮不对称短椭圆光滑无草酸青霉系 b l 3 9 绒状绿无无乳黄双轮不对称短椭圆光滑无草酸青霉系 c k 8 绒状蓝灰有无乳白双轮不对称 长 椭圆光滑无桔青霉系 c k l l 绒状 缳无无 乳黄双轮不对称短椭圆光滑无草酸青霉系 g x 2 毛状绿无无乳黄双轮不对称较长椭圆光滑无土壤青霉系 c x 4 毛状绿无无乳白单轮短椭圆光滑无斜卧青霉系 表2 4细菌鉴定结果 菌种编号b x 2 6a l 2 菌落特征黄色、小、圆亮、半透明、凸 乳白至淡黄、小、圆、亮 大小：长x 宽( u m ) ( 0 9 1 1 ) x ( 1 2 4 1 )( 0 3 0 6 ) x ( 0 6 1 8 ) 菌体特 菌体形状较粗短杆 彩状不规则的小短杆 征 革兰氏染色g g + 异染粒染色 + 产酸+ 葡萄糖氧化 产气 2 吸附茵的筛选及鉴定 产酸 葡萄糖发酵 产气 产酸 蔗糖氧化 产气 产酸 蔗糖发酵 产气 硝酸盐还原+ 弱 氧化酶反应 接触酶反应 + 鉴定结果黄杆菌属棒状杆菌属 2 3结论 在高效脱色菌的筛选过程中，我们发现经梯度驯化的富集培养相当重要。如果不 进行富集培养，具有高效脱色性能的特定脱色菌含量过低，就有可能因分离不到而失 败；如果不进行梯度驯化，非耐受菌数量过多，也会因工作量太大而对筛选带来困难。 染料浓度梯度要合理确定，浓度过低分离出的耐受菌太多，工作量很大；染料浓度过 高，则可能会有高效脱色菌由于不能耐受目标染料的毒性而被淘汰，导致筛选失败。 另外，筛选培养基的碳源浓度也要适中，浓度过高菌株太多；浓度过低，一些与染料 共代谢的降解菌就有可能被淘汰，而一些吸附脱色菌也由于不能生长