（纺织化学与染整工程专业论文）涤纶改性用微生物的驯化及应用.pdf

中文摘要 涤纶( p o l y ( e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ，p e t ) 是对苯二甲酸和乙二醇的缩聚物，具 有良好的物理机械性能及化学稳定性，但其作为服用纤维，透气性差、吸水性弱、 易产生静电、且穿着有沉闷感，染色性能较差。为了克服涤纶纤维的上述缺点， 本实验采用微生物法对其进行改性，由于涤纶纤维紧密的化学结构导致了很强 的抗生物性，实验中采取碳源驯化及耐温性驯化的方法对微生物进行处理，以期 获得更好的改性效果。 实验利用从活性污泥样品中分离提取的菌株，对其进行以对苯二甲酸( t a ) 为唯一碳源的驯化，从而使菌株对涤纶纤维的模拟物t a 具有较好的降解作用。 同时，由于涤纶的玻璃化温度较高，在较高的温度下微生物对其改性作用效果将 更加明显，因此本实验主要采用无机离子溶液加t a 配制而成的合成培养基作为 营养物质，对微生物做耐温性驯化，结果表明微生物在3 7 时具有最好的生长 及降解能力，继续升高培养温度，微生物对t a 的降解作用完全消失，表明微生 物无法分泌相应的酶或酶失去催化作用。 本实验取适量驯化后菌种在3 7 。c 对涤纶纤维进行改性，对改性后涤纶织物 的性能测试表明，纤维的亲水性，抗静电性有一定程度的改善；分散染料染色性 能有少量改善；阳离子染料染色结果表明纤维表面产生了少量能与阳离子染料结 合的活性基团；织物的抗起毛起球性得到较大提高；但纤维的强力有微量下降。 实验应用驯化后的菌种对p e t 聚酯饮料瓶进行降解初探，失重测试及聚酯 膜表面形态观测结果表明，微生物无法对紧密的瓶壁进行有效的降解，主要原因 在于p e t 的玻璃化温度较高，在玻璃化温度之下，其大分子链段活动性差，分 子结构紧密，微生物无法有效接触可降解部位，现有微生物尚需进一步驯化。 关键词：微生物，对苯二甲酸，涤纶，耐温性驯化，改性，聚酯废弃物，降解 a b s t r a c t p o l y e s t e rf i b e r s ( p e t ) a r et h e c o n d e n s a t i o np o l y m e r so ft e r e p h t h a l i ca c i da n d e t h y l e n eg l y c o lw i t hg o o dp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t a b l ec h e m i c a l p r o p e r t i e s ，b u t a sc l o t h i n gf a b r i c s ，t h e yo w l lm a n ys h o r tc o m i n g ss u c h 部p o o r v e n t i l a t i o na n dh y g r o s c o p i c i t y , s t a t i ce l e c t r i c i t yp r o b l e m s ，f e e l i n go ft e d i o u s n e s sa n d b a dd y e i n gp r o p e r t i e s i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r tc o m i n g so ft h ep e tf a b r i c s m e n t i o n e da b o v e ，m i c r o o r g a n i s m sw e r eu s e dt om o d i f yt h e m t i g h tc h e m i c a l s t r u c t u r e sr e s u l ti ns t r o n ga n t i b a c t e r i a lp r o p e r t yo fp e tf a b r i c s ，s oc a r b o ns o u r c ea n d h e a t - r e s i s t a n td o m e s t i c a t i o nw a sc a r r i e do u tt ot r a i nt h em i c r o b em o r ee f f i c i e n tt o m o d i f yt h ef a b r i c s t h eb a c i l l u sw h i c hw e r ei s o l a t e df r o mt h ew a s t ew a t e ro fp e tp l a n t sw e r ec a p a b l eo f b i o d e g r a d i n gt e r e p h t h a l i c a c i d s ot h e yw e r ec h o s e nt om o d i f yp e tf a b r i c sf o r t e r e p h t h a l i ca c i di st h em o n o m e ro fp e t t h eb a c i l l u sw e r ed o m e s t i c a t e dt ou s e t e r e p h t h a l i ca c i d 嬲t h e i ro n l yc a r b o ns o u r c e ，s ot h e yc a nb em o r ee f f i c i e n tt o b i o d e g r a d et e r e p h t h a l i ca c i d m e a n w h i l et h eh i g hg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo fp e t l e a d st h a tt h ef a b r i c ss h o u l db em o d i f i e du n d e rh i 曲t e m p e r a t u r et oa c h i e v eg o o d m o d i f i e dp r o p e r t i e s t h eb a c i l l u sw e r ec u l t u r e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw h i c hw e r e e l e v a t e ds t e pb ys t e pt om a k et h e ma c c u s t o m e dt oh i g ht e m p e r a t u r e i tw a sf o u n dt h a t t h i sk i n do fb a c i l l u sw e r em o s te f f i c i e n ta t3 7 a n dt h ee n z y m e st h e ye x c r e t e dw o u l d i n a c t i v ea tt h et e m p e r a t u r e sa b o v e3 7 c t h eb a c i l l u sw e r eu s e dt om o d i f yp e tf a b r i c sa t3 7 f o rs e v e r a ld a y sa n dt h e p r o p e r t i e so ft h em o d i f i e d f a b r i c sw e r et e s t e d t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e h y g r o s c o p i c i t ya n d a n t i - s t a t i ce l e c t r i c i t yp r o p e r t i e sw a sa d v a n c e da ts o m ee x t e n t ；t h e d y e i n gp r o p e r t yw i t hd i s p e r s ed y ew a se n h a n c e ds l i g h t l y ；t h ed y e i n gr e s u l t sw i t h a c t i v ed y es h o w e dt h a ts o m ea c t i v eg r o u p st h a tc a nc o m b i n ew i mt h ea c t i v ed y ew e r e e n g e n d e r e do nt h es u r f a c eo ft h ef a b r i c s ；t h ea n t i p i l l i n gp r o p e r t yo f t h ef a b r i c sw a s a d v a n c e dl a r g e l yb u tt h es t r e n g t ho ft h ef a b r i c sd e c l i n e ds l i g h t l yc o m p a r ew i t ht h e m o d i f i c a t i o nw i t hc h e m i c a l s t h eb a c i l l u sw e r ea l s ou s e dt ob i o d e g r a d et h ew a s t ep e tp a c k a g e so ft h ed m l k ，t h e t e s to fw e i g h t l e s s n e s sa n dt h es u r f a c ec o n d i t i o no ft h ep i e c e so fp a c k a g e ss h o w e dt h a t t h e r ew e r en o to b v i o u sc h a n g e so nt h ep e tp i e c e s t h em a i nr e a s o n sw e r et h a tt h e s t r u c t u r eo ft h ep a c k a g e sw a st i g h ta n dt h eg l a s st r a n s m i s s i o nt e m p e r a t u r ew a sh i i g h w h e n l e yw e r ed e a l tw i t hm i c r o b ea tt h et e m p e r a t u r eu n d e rt h e i rg l a s st r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ，t h el o wm o b i l i t yo fm e i rm o l e c u l ec a u s e dt h a tt h el o we f f i c i e n to f m o d i f i c a t i o n t h em i c r o b en e e d st ob ec u l t u r e df u r t h e r k e yw o r d s ：m i c r o b e ；t e r e p h t h a l i ca c i d ；p o l y e t h y l e n et e r e p h t h a l a t ef i b e r ；h e a t r e s i s t a n t d o m e s t i c a t i o n ；m o d i f i c a t i o n ；p e tw a s t e ；b i o - d e g r a d a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孵庄 签字日期叩年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：犹y e 矿产 导师签名： 签字日期： 叩年月分日 毛氤健心 签字日期呷年月卵 学位论文的主要创新点 一、应用对苯二甲酸作为涤纶纤维及其废弃物的模拟物对微生物进行 唯一碳源的驯化，以提高其对纤维的改性能力及对废弃物的降解作 用。 二、为了使微生物在接近涤纶纤维玻璃化温度的条件下具有较好的活 性，对微生物进行耐温性驯化。 三、应用驯化后的微生物对涤纶纤维进行改性作用，处理基质中添加 对苯二甲酸作为底物诱导微生物产生诱导酶，改性处理后较全面地检 测织物的性能。 第一章前言 1 1 研究背景 1 1 1 聚酯p e t 的发展现状 第一章前言 自1 9 4 4 年英国化学家w h i n f i d d 和d i x o n 发明聚酯( p e t ) ，并于1 9 4 9 年率先 在英国实现工业化生产以来，至今发展已有几十年的历史【。1 9 5 3 年，美国杜邦 公司在北卡罗里达州的金斯顿( k i n s t o n ) 建成了世界上第一个聚酯纤维生产厂，年 生产能力为1 6 万吨。1 9 5 5 年，英国的i c i 公司也建成了年产5 0 0 0 吨的聚酯纤 维生产厂。随后，德国的赫斯特( h o e c h s t ) 公司、恩卡格拉斯道夫( e n k a g l a n z s t o f o 公司、法国的隆波朗( r h o n e p o u l c n c ) 公司、意大利的蒙特迪松( m o n t e d i s o n ) 公司 以及日本的东丽和帝人公司均引进了英国的技术并相继建厂，于2 0 世纪5 0 年代 后期投入生产，从此聚酯纤维在世界范围内迅速发展1 2 】。聚酯产业能得到迅猛发 展，一方面得益于其优良性能能够满足人们的需求；另一方面得益于2 0 世纪中 叶以来，世界石油工业的快速发展，极大丰富了聚酯的原料市场。 在聚酯产品方面，纤维占有很大比重，树脂、薄膜和其它特种产品发展速度 也很快。p e t 纤维目前是合成纤维领域中产量最大、种类最多的品种；p e t 的各 种差别化纤维和功能纤维也倍受人们的青睐，被大量用于工业制品，如运输带、 绳索、帐篷、包装材料等；p e t 树脂可用作工程塑料，又由于p e t 的玻璃化温 度高于室温，电绝缘性优良，可作为b 级绝缘材料，用于变压器、电动机、电 容器和电线电缆；同时p e t 树脂能抵抗多数有机溶剂和酸碱的腐蚀，良好的抗 溶剂性使其大量应用于吹塑瓶子，市场上大量的饮料瓶、矿泉水瓶等都是p e t 制品；p e t 薄膜是热塑性塑料中机械强度和韧性最好的品种之一，其撕裂强度低， 而拉伸强度高，是聚乙烯的9 倍。 目前，聚酯发展最具活力的地区转移到亚洲，中国是其中发展速度最快的国 家，中国聚酯的产量1 9 8 3 年仅有1 6 4 万吨，到2 0 0 1 年仅聚酯纤维已达到6 2 7 万吨，己经取代美国成为最大的合成纤维生产斟3 1 2 】。 1 1 2 聚酯p e t 产业废弃物的产生 随着p e t 产业的快速发展和产品的广泛应用，在消费的同时，每年必定会 第一章前言 产生大量的p e t 废弃物f 1 3 1 ，这些废弃物数量巨大，且对大气和环境微生物的抵 抗性很强。e d g e 和a l l e n 预测p e t 的存在周期为1 6 4 8 年【悼”1 ；r u d a k o w a 研究 认为p e t 在人体与动物体内的降解将持续3 0 年【l 卅；聚酯瓶在湿度4 5 1 0 0 、 温度2 0 的环境中存在3 0 4 0 年，其性能仅损失5 0 ；相同条件下，聚酯胶片 可以存在9 0 1 0 0 年之久。因而从环境和生态角度考虑，p e t 废弃物己成为全球 性的环境污染有机物。 近年来，通过大量的研究证明，一些合成的化学物质会产生扰乱人类和动物 内分泌与发育过程的作用，并使得生殖、发育或行动发生异常，因此国际上把这 些化学物质称之为环境荷尔蒙或环境激素，简称为e h ，又叫做内分泌扰乱化学 物质，简称为e d s 。它们虽然与一些对人类和动物危害极大的剧毒物质和致癌 物质等不同，但对人类和动物生命的危害程度绝不亚于前两者，都属于危害很大 的有害化学物质，因此环境荷尔蒙己成为世界上的社会问题【1 7 1 。 目前国际上规定了7 0 多种被限制的环境荷尔蒙，其中有机化合物占了 9 5 7 ，其中包括对苯二甲酸( 简称t a ) 。对苯二甲酸是制造聚酯纤维、薄膜及瓶 用聚酯的主要原料，也用于涂料、胶粘剂、塑料薄膜、增塑剂和染料等生产行业， 是一种重要的工业化学品，这使对苯二甲酸的需求大幅度提高。在t a 生产过程 中，会产生大量废水【l8 1 。据报道：全球对苯二甲酸的产量将达到1 2 5 万吨年， 而每生产1 吨t a 就会产生3 4 m 3 的t a 废水，其中t a 的含量可达1 5 0 0 m g l t l 9 】。 在国内随着化纤生产规模不断提高，废水排放量也随之增大。尤其是涤纶碱减量 产业的发展，更引入了大量的含t a 的废水。t a 具有毒性，对一些动物具有三 致作用，被美国环保局( e p a ) 列为需优先治理的污染物之一。许多研究都表明对 苯二甲酸及其衍生物能抑制微生物的繁殖【2 0 2 ，对鱼类有很强的刺激毒害性，对 水中微生物的再生有强抑制作用，对一些动物有致畸和致突变作用。有效地处理 废水中的t a ，一直是令人关注的问题陋彩j 。 1 1 3 涤纶纤维改性的现状 作为一种服用性纤维，涤纶有很多优良的特性，如强度高、手感柔软、耐拉 伸、抗皱耐磨、机可洗等。但另一方面，涤纶也有许多不足之处。从服用的舒适 性考虑，涤纶织物较厚重、透气性差、吸水性不好、回潮率低、易产生静电且穿 着有沉闷感；从审美角度来说，涤纶织物易起球、抗油污性差、泛亮光；从染色 和功能整理的角度来讲，涤纶的染色性能较差、上染率低、染色过程中易出现色 淀，对极性整理剂的吸附能力差。涤纶的这些特点是由其内在组成决定的：作为 由乙二醇和对苯二甲酸缩聚而成的一种高分子化合物，涤纶纤维的结晶度高、取 向度大、玻璃化温度高、分子排列紧密且分子中无活性基团。 第一章前言 为了克服涤纶的上述缺点，使其具有较好的亲水性和抗静电性，有必要对涤 纶进行改性。一直以来，许多学者和研究机构进行了大量的研究工作，应用的方 法可以归纳为物理改性、化学改性和酶法改性三大类： ( 1 ) 涤纶的物理改性 常用的物理改性方法有以下三种：1 ) 与亲水性物质共混或复合，即把亲水性 物质混入涤纶聚酯的高聚物熔体中，然后进行纺丝。2 ) 纤维结构微孔化，即使涤 纶纤维有微孔结构，以提高其吸水性而改进纤维的亲水性。3 ) 纤维表面异形化和 粗糙化，纺丝时改变喷丝孔的形状可得到异形断面的纤维( 如中空形、三角形、 三叶形、c 形、l 形) ，使纤维之间的孔隙增大，毛细管效应增强，从而提高纤 维的亲水性。 ( 2 ) 涤纶的化学改性 对涤纶纤维或织物进行化学改性常采取以下三种措施：1 ) 涤纶聚酯大分子结 构的亲水化。即通过共聚的途径，在聚酯的基本结构中引入亲水性基团，如引入 带磺酸基的苯环结构或将具有一定分子量的聚乙二醇和对苯二甲酸乙二醇酯进 行共聚。这种方法的改性效果并不理想，因为如果亲水性单体在聚酯中所占比例 较小的话，涤纶纤维的亲水性的改善就不明显，但如果比例加大的话，就会使涤 纶原有的优良性能恶化。2 ) 与亲水性物质的接枝共聚。常用于与涤纶聚酯接枝共 聚的单体有丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸【2 4 】。这种方法的工艺可行性比较简 单，但改性效果也不够理想。因为接枝量少时，改性效果不好，而接枝量多时， 会使涤纶纤维手感变硬，染色坚牢度下降。3 ) 纤维表面改性处理，即对涤纶纤维 或织物进行表面处理，达到改变涤纶纤维表面亲水性能的目的。染整化学工作者 常利用表面改性处理来获得性能优良的涤纶纤维。这种方法应用简便，成本低廉， 主要有光化学处理、等离子处理、整理剂整理和碱处理等方法。光化学处理是指 用高能射线( 如射线、紫外线、电子束等) 对涤纶进行辐射，处理过程中，涤纶纤 维发生降解，同时产生很多自由基并引入了极性基团，使纤维表面活化，从而改 善其亲水性和染色性【2 5 1 。上世纪8 0 年代以来，大量文献报道了等离子体对涤纶 的改性，包括空气低温等离子体【2 6 - 2 7 和冷等离子体【2 8 。2 9 】等，在电场条件下，自由 电子与气体分子碰撞产生活性种，这些活性种对涤纶表面进行刻蚀产生极性基团 或与表面大分子作用产生表面自由基并进行交联。常用的整理剂有变性蛋白质 【3 0 1 、非离子型聚醚酯【3 l 】、丝烈3 2 1 和有机硅化合物【3 3 】等。碱处理也称碱减量，常 用的碱处理方法包括氢氧化钠溶液改性3 4 - 3 6 、氨解改性【3 7 1 、以及碱胺同浴改性【3 8 1 等，其原理是强碱离子进攻涤纶大分子中的酯键而形成极性较强的羧基和羟基基 团，从而使涤纶纤维的染色性、亲水性和抗静电性等性能得到改善，也可以使其 呈现仿丝绸效果。上述涤纶纤维的表面改性方法中，光化学处理法的防护措施要 第一章前言 求高，且其照射剂量难控制，还没有实现工业化。等离子处理法所用设备代价昂 贵，不能连续生产，也没有实现工业化。整理剂的耐久性较差，整理后的涤纶织 物往往变得较厚重，而且其中有的化学试剂对环境不利。碱减量法是研究得最早 最充分且已经工业化的方法，但这种方法存在着一些弊端。经碱处理后，纤维的 强度受损，断裂延伸度下降；更为重要的是，由于涤纶纤维排列紧密，要获得较 满意的改性效果，就要使用浓度较高的碱液，从而造成环境的破坏，影响生态的 和谐。 ( 3 ) 涤纶的酶法改性 理想的涤纶表面改性，应满足以下要求：不损害涤纶原有的优良性能、耐久 性好、经济效益好、不危害环境。随着人们环境保护意识的增强以及各国环境立 法的加强，最后一点已显得越来越重要。 生物酶作为一种温和、高选择性和高特异性的催化剂，能加快反应的进行。 从经济和生态的角度来看，酶催化反应无污染、反应条件温和、安全性高且酶能 循环利用，这些都促进了酶的研究开发和应用。目前，纺织工业中的许多领域都 应用了酶【3 9 枷】。在棉织物的整理中，越来越多的化学过程被酶催化过程所取代， 如生物砂洗和怀旧风格整理。在羊毛织物整理中，人们用蛋白酶来代替有机氯以 达到防缩抗皱的目的。在丝绸工业中，蛋白酶取代了传统的皂液、酸或碱液，来 进行蚕丝的脱胶处理。为保证麻纤维的质量和连续性，人们用酶处理代替沤麻。 除了上述天然纤维外，合成纤维也逐渐进入人们的研究视野并进而成为酶处理的 目标。涤纶的酶处理或酶改性就是近几年来人们探索的一个目标之一。人们试图 通过酶处理，为涤纶纤维提供一种经济生态的改性方法，能在改善涤纶纤维不足 之处的同时，又不影响其原有的优良特性。 涤纶是芳香族聚酯的一种，因此，研究聚酯的酶降解，总结其降解规律，对 涤纶的酶改性具有十分重要的借鉴意义。简单介绍一下聚酯尤其是含有苯环的聚 酯的酶降解情况。 人们研究了聚酯的结构【4 1 4 2 1 、组成【4 3 舢4 9 1 、链长拉伸率4 5 删、结晶度 4 t j 、熔 点【4 引、表面积5 0 1 以及表面活性剂【4 2 1 、降解温度【4 8 1 和环境【4 7 】等因素对聚酯酶降解 的影响，发现芳香族聚酯要比脂肪族聚酯难以降解。科学家们一直在努力寻找生 物降解芳香族聚酯的方法，他们的研究方向主要有两个，一是对芳香聚酯进行结 构改性，如加入脂肪族聚酯成分或较易生物降解的其它成分如聚乙二醇，或在苯 环上引入易生物分解的基团如磺酸基等。研究证明，这些方法是可行的，但改性 以后，聚酯强度下降很多，特别是加入了脂肪族聚酯或聚乙二醇成分之后的聚酯。 二是继续探索芳香族聚酯的生物降解，包括寻求有效的酶和有效的处理方法【5 1 1 。 美国专利曾报道了用酶处理一种复合型涤纶纤维【5 2 】，这种纤维由芳香族聚酯内 第一章前言 芯和脂肪族聚酯外层复合而成。当用酶处理时，外层的脂肪族聚酯可以很容易地 降解而内层的芳香族聚酯却很难降解，从而形成一种具有良好外观和手感且性能 优良的纤维。上述研究为以后人们对涤纶进行酶处理或改性奠定了前期理论基 础。 真正意义上的涤纶酶改性研究始于上世纪末。据文献统计，开展这方面研究 的国家有美国、日本和德国等，我国最近也有学者开始了这方面的探索。美国和 德国的研究工作主要集中在用市售的酶制剂对涤纶进行改性，研究酶的种类和处 理条件等因素对涤纶性能的影响。日本科学家则通过细胞培养法，从土壤中分离 出来微生物并进行培养。到目前为止，关于涤纶酶改性或处理的研究内容主要是 用酯酶、角质酶或脂肪酶对涤纶进行处理，涤纶纤维表面的酯键在酶的催化作用 下裂解成极性较强的羧基和羟基，从而使涤纶的一些性能得到改善。1 9 9 8 年， h s i e hy l 等人首先报道了酶处理对改善涤纶织物润湿性和吸水性的作用【5 引。此 外，他们的实验也表明脂肪酶在改进磺化聚酯和微细旦聚酯织物的润湿性和吸水 性性能方面是有效的。1 9 9 9 年，日本京都纤维工艺大学及其合作单位报道了酶 对涤纶减量的研究结果【5 4 1 。他们认为，自然界中确实存在分泌胞外酶的微生物， 能够分解涤纶的单体酯。他们曾选用了几种能使脂肪族聚酯产生明显分解的商品 脂肪酶处理涤纶织物。结果表明，涤纶织物经处理后，吸水速度加快，抗静电性 和染色性能提高。2 0 0 0 年，a n d e r s e nb k 等人在酶对于减少涤纶织物的起球倾向 和增加涤纶织物颜色清晰度的作用等方面进行了研究【5 引。y o o nm y 等人在其发 表的论文和申请的相关专利中报道了一种角质酶处理涤纶的结梨给7 1 ，结果表明 酶处理降低了涤纶的起球性，提高了涤纶表面的亲水性，增加了其与阳离子染料 的亲和力，去除了涤纶表面的浆料和油污，同时也使涤纶的泛光现象得到改善。 2 0 0 1 年，a k b a rk 等报道了酶处理对涤纶长丝纱线的改性作用【5 引。两种复合长丝 涤纶纱线在不同的温度下，以不同的拉伸率被拉伸后，在相似的条件下用酶进行 水解。结果表明，酶水解后，涤纶纱线的失重率小于0 5 ，水吸收率升高达5 0 ； 但酶处理仅限于纤维表面，与纤维的拉伸率相比，纤维表面积对酶处理作用的影 响更大。我国的张健飞教授等人曾以对苯二甲酸二乙酯为涤纶的模拟物，选用4 种脂肪酶对该模拟物和涤纶纤维的降解性能进行了研究，结果表明酶对涤纶纤维 有轻微的刻蚀作用【5 9 。除此之外，h o o k e rj 等曾报道了一种角质酶对涤纶纤维中 的三元齐聚物的酶解作用，为去除涤纶纤维中的三元齐聚物提供了一条既经济又 环保的新途径唧j 。 涤纶酶改性所用的酶大都是脂肪酶、酯酶和角质酶，目前涤纶酶处理研究中 所用的酶大都是从酶制剂公司直接获得的。应该说，人们对涤纶酶改性的研究还 处于探索性阶段，就目前研究现状来看，主要存在以下几个问题，一是所用的酶 第一章前言 大多购自酶制剂公司，对涤纶的改性不具有针对性。酶对涤纶的催化活性不高， 改性结果不理想，因此有必要寻找新的酶或新的产酶菌株。二是关于涤纶酶改性 的机理尚无人研究。针对这些问题，首先应该有目的地培养可以用于处理涤纶的 酶；其次是研究涤纶酶反应的机理，包括酶本身的性质，其应用环境及活性位点 等。解决上述问题需要染整化学工作者和生物工作者共同努力。 1 1 4t a 废弃物的处理现状 由于对苯二甲酸和聚酯废水中的污染物多为芳香族化合物，而且污染物浓度 高，废水生物需氧量( b o d ) 与化学需氧量( c o d ) 的比值只有o 1 o 2 左右，因此属 于难生物降解的废水，处理难度较大。目前国内外对该废水的处理主要有：物理 化学处理法和生物化学处理法【2 。 一、物理化学处理 在废水的预处理中，由于t a 在酸性条件下溶解度降低，可先将t a 废水酸 化沉降后再进行生物处理。另外由于废水中的c o d 降低到一定程度后，即使进 一步延长处理时间，要再降低c o d 很难。为保证出水稳定达标，水中剩余的微 量有机物也能被去除而实现水资源回用，可在生物处理工艺之后进一步深度处 理，通过活性碳吸附、臭氧或二氧化氯氧化等物化方法进一步提高净化效率。若 单独使用物化方法处理对苯二甲酸和聚酯废水，则投资及运行费用远远高于生物 处理方法，且易造成二次污染【6 卜6 5 1 。 二、生物化学处理 目前，生物处理法中厌氧降解是t a 废水处理中最常用的方法，但是厌氧降 解条件要求严格：好氧降解法又会产生大量剩余污泥，人们还在寻找更好的处理 方法。 ( 1 ) 生物好氧处理工艺：它的设计原理是微生物在好氧条件下代谢作用旺盛， 能利用废水中的有机物为原料进行新陈代谢，合成生命物质，同时将污染物降解。 它具有如下优点：净化效率高，b o d 去除率常为9 0 9 5 ，处理过程中不产生臭 气；技术成熟，国外从上世纪三十年代初就开始广泛研究废水的生物好氧处理技 术，国内从建国后也开始起步研究，至今已积累了丰富的设计与运行管理经验， 在几乎所有种类的废水处理工程都有应用，其管理方便，操作简单，抗冲击能力 强，在运行中如受冲击负荷影响时，在供氧基本满足的条件下，其结果通常仅降 低净化效率，不易使整个生物系统被破坏，而且好氧微生物驯化适应时间短，一 般仅需几周就可以完成，对环境条件要求较粗放，当水温低至1 5 时，生化反 应仍能正常进行脚】。近年来，在普通生物好氧处理工艺基础上，又发展出了生 物纯氧处理工艺，由于纯氧处理中氧分压和氧传递速率均高出空气中氧分压和氧 第一章前言 传递速率4 倍多，因此氧的渗透性好，反应池中厌氧状态很少，使废水处理效果 更好、更稳定，同时还降低了能耗，减小了占地面积和剩余污泥产量，改善环境 卫生状况。 生物好氧处理工艺的不足之处是，能耗较高，剩余污泥产量相对较多，增加 了污泥处理设备投资及运行费用，另外对某些工业废水营养要求较高阿76 9 1 。 ( 2 ) 生物厌氧处理工艺：这种处理技术的作用原理主要是生物在缺少氧的条件 下生长，结合底物，对废水中t a 分解。其优点主要是：不需充氧，能耗低，副 产物沼气可作为燃料回用，而且剩余污泥产量低，占地面积小，对营养要求较低， 但由于厌氧条件下微生物代谢活动较低，对废水的净化效率不如好氧处理好，通 常b o d 去除率在6 0 9 0 ，而且由于厌氧菌在有氧气存在条件下将失去活性。 另外生物厌氧处理工艺易受环境条件以及干扰物质影响，抗冲击负荷能力较差， 且微生物驯化适应时间要求较长，通常需要3 - - 6 个月，并且净化出水水质不能达 到很高的水平，一般此工艺用在好氧处理前的预处理【7 1 1 。 ( 3 ) 厌氧好氧生物处理工艺：它的处理工艺是将预处理的废水经厌氧生物处 理后，其中的难降解大分子污染物分解为易降解的小分子有机物，然后再经好氧 生物处理净化废水。它兼有厌氧和好氧两者之长，净化效率高且稳定，几乎不产 生剩余污泥，抗冲击能力较强，不像好氧活性污泥法形成污泥膨胀，导致系统运 行失败，但其基建及投资费用较多，占地面积较大。 ( 4 ) 生物反应器自固定化生物反应器处理：它是在两种反应器内分别有人工 控制的高效复合功能微生物，对废水中有机物能有针对性地进行降解，微生物在 专门的填料表面形成生物膜，组成微生态系统，从废水中吸取有机污染物作营养 源，在代谢过程中获得能量，并形成新的微生物机体。当生物膜达到一定厚度时， 氧就无法透入生物膜内层，造成内层的厌氧状态，使生物膜的附着力减弱，在水 的冲刷下，生物膜脱落，随后填料上又会生长新的生物膜，如此循环往复，废水 经生物膜后得以净化。它除具有厌氧好氧生物处理工艺的优点外，它还特别适 合于处理含某种特殊污染物的废水，如对苯二甲酸和聚酯废水；其不足之处是增 加了深度处理，投资增加1 7 1 。俐。 1 2 研究目的与意义 微生物作为一个整体，分解有机物的能力是惊人的。大量研究表明，能够使 环境污染物降解的生物主要是微生物。微生物体积微小，数量多，种类多，代谢 活动旺盛，代谢类型多样，具有催化污染物转化的各种酶系统。微生物无处不在， 它们栖息于土壤、沉积物、废水、固体废弃物、地表水以及动植物体内。它们在 第一章前言 环境物质转化中发挥着重要作用。每一种天然产物，不管它的构象如何复杂，都 会在特定的环境中被这种或那种微生物降解。如果这些物质不被降解，终将会在 地球上大量积累，然而在现在的好氧生态系统中还没有看到天然产物有明显的积 累，这就表明微生物系统对各种天然产物具有惊人的转化作用。一种微生物代谢 有机物的能力是有限的，但在同一环境中有多种微生物同时存在，共同代谢有机 物的能力就会十分强大。可以说，凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物所 分解。有些种类甚至能降解多种有机物，能利用其中任何一种有机物作为碳源和 能源进行代谢。有毒的氰化物、酚类化合物等，也能被不少微生物作为营养物质 利用和分解。 一个世纪以来，人工合成的有机物大量问世，如杀虫剂、除草剂、增塑剂、 塑料瓶等，它们一般在短时间内难以被微生物降解，尤其是部分合成的有机物， 在研发时的目的之一，就是要求它们具有化学稳定性，因此微生物一接触这些陌 生物质，开始时难以降解也是不足为奇。但由于微生物具有极其多样的代谢类型 和很强的变异性，近年来的研究已经发现，很多微生物能够降解人工合成的有机 物，甚至原认为不可生物降解的合成有机物，也找到了能降解它们的微生物。所 以通过研究，可以使不可降解的或难降解的污染物转变为能降解的，甚至能使它 们迅速、高效地降解除去。 p e t 制品的存在时间还不是很长，所以自然界中不会有天然的以p e t 为底 物的微生物存在，本实验室通过人工的方法进行分离、筛选和培育，找到一株对 t a 及对苯二甲酸二乙酯有一定降解作用的菌株，若通过驯化和培养提高其降解 能力，可以用于t a 废弃物的降解处理，由其生产出的酶，可以用于p e t 织物 的减量加工和表面改性，来改善p e t 纺织品的服用性能。 由于p e t 具有疏水性和高结晶度，要直接从p e t 着手筛选到能驯化降解它 的微生物或酶非常困难。所以本实验以对苯二甲酸作为模拟物来驯化和培养p e t 的改性菌株。 另外，对苯二甲酸作为一种涤纶产业废弃物，其本身也具有一定的污染性。 故研究对苯二甲酸的生物降解也有积极的意义。 1 3 研究内容 利用从活性污泥样品中分离提取的菌株，对其进行以对苯二甲酸( t a ) 为唯一 碳源的驯化，从而使菌株对涤纶纤维的模拟物t a 具有较好的降解作用。同时， 由于涤纶的玻璃化温度较高，在较高的温度下微生物对其改性作用效果将更加明 显，因此对微生物做耐温性驯化，尽可能地提高其生长温度，以期获得在较高温 第一章前言 度下具有较好活性的菌株，以便用于涤纶纤维的改性及其废弃物的处理。 碳源及耐温性驯化之后，取适量菌种在对涤纶纤维进行一定时间的改性处 理，对改性后涤纶织物的性能进行较为全面的测试，测试其亲水性，抗静电性， 分散染料染色性能，阳离子染料染色情况，织物的抗起毛起球性及强力。 应用驯化后的菌种对p e t 聚酯饮料瓶进行降解初探，通过失重测试及聚酯 膜表面形态观测检验微生物对聚酯废弃物的降解能力。 第二章理论综述 2 1 生物降解及其特点 第二章理论综述 生物降解是指有机物在酶的作用下经一系列生物化学反应转化为较简单化 合物的现象。有人提出了三种不同程度的生物降解【7 9 】： ( 1 ) 初步降解：即指母体高聚物的一部分结构发生了变化，原有分子的完整性 已经改变，但其对环境的危害尚未去除，其分解产物仍对环境质量或生物体健康 有不良影响。 ( 2 ) 环境可接受的生物降解，即母体高聚物虽然还没有被彻底降解，但己被 降解到对环境无害的程度，从保护环境不受损害的目的出发，这种程度的降解也 是可以接受的。 ( 3 ) 最终( 完全) 降解，即母体高聚物已完全无机化，在好氧条件下，高聚物彻 底氧化分解的最终产物是h 2 0 和c 0 2 ，可能还有氨、硫酸盐等无机产物。在厌 氧条件下，高聚物将通过水解酸化、产氢、产乙酸及产甲烷等阶段最后生成甲烷 和二氧化碳等气体。 与物理降解和化学降解相比，生物降解具有以下特点 7 9 1 ： ( 1 ) 生物降解反应迅速。 化合物形态和结构的改变，可以通过化学反应或生物作用来实现。尽管化学 反应也会使有机污染物的结构发生变化，但这种转化通常是细微的，产物与母体 化合物在结构上和毒性上经常很相似。但是生物作用则大不相同，生物作用的实 质是在酶的催化作用下进行的一系列生化反应。这种生化反应通常很彻底，可使 许多有机物降解为对人体无害的c 0 2 和h 2 0 。另外酶促反应迅速，因此生物降 解反应非常迅速。 ( 2 ) 微生物在生物降解中起着重要作用。 环境中有植物、动物和微生物三大类生物，它们都能使有机物降解或转化， 但大量研究表明，使环境物质转化和降解的主要是微生物。这与微生物的生理特 征有关。首先，微生物在环境中存在的种群数量极大，分布极广，几乎分布在人 类活动所涉及的全部空间，即使在一些恶劣的极端环境中也会存在着各种各样的 微生物种类。其次，微生物细胞个体很小，有很大的比表面积，生理功能多样化， 易于适应环境，易于与环境中各种底物( 营养物质或污染物质) 接触，并通过细胞 膜与底物发生物质交换。第三，微生物简单的生殖方式和快速的繁殖速度，也正 是环境微生物被广泛利用的重要特征。随着生物工程技术的发展，已经可以通过 第二章理论综述 生物工程手段构建具有某种特殊功能的微生物新物种或菌种，为人类的某个特殊 目的服务。微生物在环境中与底物发生相互作用，通过其代谢活动，会使底物发 生氧化反应、还原反应、水解反应、脱羧基反应、脱氨基反应、羟氧化反应、酯 化反应等各种生理生化反应。这些反应的进行，可以使绝大多数的物质，特别是 有机物发生不同程度的转化、分解或降解，有时是一种反应作用于物质，有时会 是多种反应作用于物质或者作用于物质转化的不同阶段。 ( 3 ) 生物降解常与微生物生长联系在一起。 生物降解的过程是有机物发生转化的过程，同时也是微生物呼吸与同化的过 程。在呼吸过程中，微生物利用有机物作为能源提供动力；在同化过程中，微生 物利用有机物中的碳和呼吸产生的能量构建细胞自身。同化作用的结果表现为微 生物生长，这样微生物可以有更多的酶来催化生物化学反应，从而加速底物转化。 可以用一个简洁的表达式表明这一原理： 碳源+ 能源+ 营养物+ 末端电子受体= 微生物生物量+ 终产物+ 能量 ( 4 ) 生物降解受外界影响因素大 以上表达式虽然简明的阐述了生物降解过程的基本原理，但还不能包括生物 降解过程的全部内容。如环境条件( p h 值、温度、水分等) 会对生物降解过程产 生重要影响，环境中不同的碳源、不同的营养成分、不同的氧化还原电位以及不 同微生物种群也都会对生物降解过程产生影响。 归纳而言，影响微生物降解过程有微生物体系、碳源能源( 有机物) 、其他营 养因素及环境条件三大要素。各要素内部互相作用，各要素之间又彼此相互作用， 增加了这种作用的复杂性。因此同一种底物的生物降解过程往往有很大的不同， 形成的产物也有很大的差异，所以说环境中生物降解产物往往有不确定性。 2 2 微生物系统 2 2 1 微生物的营养 ( 1 ) 微生物的营养类型【8 m 8 3 】 微生物种类多样，各类微生物对营养的需求有很大不同。根据对碳源和能源 的不同需求，微生物可以组合为四种不同的类型：光能自养型、光能异养型、化 能自养型、化能异养型，其中绝大部分细菌和全部真核微生物都属于化能异养型 微生物。 ( 2 ) 微生物的营养要求【8 0 】 通常称微生物的营养物有六大要素，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机 盐和水。 第二章理论综述 碳源 碳源是组成微生物细胞的主要元素，其构成细胞的骨架。化能异养型微生物 以有机碳化物作为必需的碳源和生命活动的能源。在实验条件下，制备培养基最 常用的碳源为葡萄糖，可为许多微生物利用。其他糖类如蔗糖、麦芽糖、甘露醇、 淀粉、纤维素，以及脂肪、有机酸、醇类、烃等可作为培养不同微生物时选择使 用的碳源。蛋白质、氨基酸既是氮素养料，同时也是碳素养料。米粉、玉米粉、 麦麸和米糠等常用作微生物固体发酵的碳源。自养型的微生物以c 0 2 作为碳素 营养在细胞内合成有机物质，故不需要向他们提供现成的有机碳化物作为碳素营 养。 能源 能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源。对于 各种异养菌来说，不少碳源同时也是能源，所以这些有机物具有双重的营养功能。 氮源 氮是合成蛋白质和核酸必需的物质。绝大多数微生物都需要化合态氮作为氮 素养料，因而常用于培养基的氮源，分无机氮和有机氮两类。无机氮有铵盐、硝 酸盐等。大多数真菌利用铵盐及硝酸盐；许多细菌能利用铵盐，但不能利用硝酸 盐。有机氮有蛋白胨、牛肉膏或牛肉浸汁、多肽及各种氨基酸等。此外，豆芽汁、 酵母膏等也是常用的有机氮源。 生长因子 生长因子是一类需要量很少但却能促进微生物生长的有机化合物的统称，主 要是氨基酸、嘌呤和嘧啶碱以及维生素。氨基酸为蛋白质的组分，嘌呤和嘧啶碱 为核酸的组分，维生素则是辅酶或辅基的成分。虽然所需要的量很少，但缺少他 们微生物不能生长和繁殖。有的微生物可以自己合成这类物质，有的则需要外源 供给，没有外源供应就不能很好的生长。前者称为生长因子自养型，后者则称为 生长因子异养型。 无机盐 微生物需要的无机盐包括常量元素和微量元素两大类。常量元素包括磷、钾、 钙、镁、硫、钠等六种，其浓度为1 0 4 1 0 0 m o l l 左右。它们分别参与细胞结构 物质的组成、能量转移、物质代谢以及调节细胞原生质的胶体状态和细胞透性等， 如磷作为核酸、a t p