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光合细菌降解苯胺废水的研究 摘要 苯胺是严重污染环境和危害人体健康的有害物质，其处理方法越来 越受到人们的关注。目前苯胺废水的处理方式主要为物理、化学及生 物法，物理法处理苯胺废水成本较高，且容易产生二次污染，化学法 处理苯胺废水不仅处理效果有限，而且耐负荷冲击效果也不佳，因此 用生物法处理苯胺废水是一个重要的研究方向。 本文主要研究了在实验室条件下光合细菌的最佳培养条件及其对 苯胺废水的最佳降解条件，考察了初始p h 值、碳源、菌体量、光照及 温度等因素对菌体生长及苯胺降解率的影响，并对苯胺废水进行了中 试研究，研究了出水p h 变化情况及其总有机碳、总氮的去除效率。 细菌培养实验结果表明：菌体量、初始p h 、温度、光照及碳源等 因素都对光合细菌的生长产生影响，并且导致菌液的颜色、生长周期、 菌体浓度等发生变化。在本实验条件下，得出光合细菌生长的适宜条 件：菌体量3 0 、p h 值7 7 5 、温度3 0 c 3 5 。c 、光照强度2 4 0 0 l x - 4 8 0 0 l x 、 以c h l c o o n a 为碳源。 降解实验结果表明，当苯胺初始浓度为l o o m g l 时，光合细菌在 以c h ，c o o n a 为碳源，温度为3 0 c ，光照强度为4 8 0 0 l x ，p h 值为7 ， 菌体量为3 0 的条件下，7 天后对苯胺的降解率达到9 0 。 中试研究结果表明，苯胺废水经反应器连续处理1 5 天后，其p h 值从7 变化为9 ，总有机碳从9 0 m g l 降至7 0 m g l ，去除率为2 2 2 ， 总氮从1 5 m g l 降至1 3 m g l ，去除率约为1 3 3 。 关键词：光合细菌；苯胺；降解；中试装置；总氮；总有机碳 d e g r a d a t i o no fa n i l i n ew a s t e ，a t e r b yp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a a b s t r a c t a n i l i n e ，a sah a r m f u lp o l l u t a n tf o ro u rh e a l t h ，h a sa t t r a c t e dal o to f c o n c e r n t h et r e a t m e n t so fa n i l i n ew a s t e w a t e r a l w a y s a r e p h y s i c a l ， c h e m i c a la n db i o l o g i c a lm e t h o d sb yp r i m a r i l y , b u tt h ec o s to ft r e a t m e n to f a n i l i n eb yp h y s i c a lm e t h o di sh i 曲，a n dt h ep h y s i c a lm e t h o d sp r o d u c e s e c o n d a r yp o l l u t i o ne a s i l y t h ec h e m i c a lm e t h o d sh a v en o tav a l u a b l e t r e a t m e n te f f e c t ，a n dt h ea n t i - s h o c kl o a d i n gc a p a b i l i t yi sn o tv e r yg o o da s w e l l t h e r e f o r e ，t h et r e a t m e n to fa n i l i n ew a s t e w a t e rb ym i c r o o r g a n i s mi sa m a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n t h ec u l t i v a t i o no fp s ba n dt h e d e g r a d a t i o n o fa n i l i n e b y p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i au n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha sp h ， c a r b o ns o u r c e ，b i o m a s sc o n t e n to fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，i l l u m i n a t i o na n d t e m p e r a t u r ew e r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a sw e l la st h ec h a n g eo fp h t o c ，t n w a sa l s oc o n s i d e r e di nt h er e a c t o l t h er e s u l t so fc u l t i v a t i o ne x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t ：t h eb i o m a s s c o n t e n t ，p h ，t e m p e r a t u r e ，i l l u m i n a t i o ni n t e n s i t ya n d c a r b o ns o u r c ea f f e c t e d t h eg r o w t ho fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a i ta l s oi n f l u e n c e do nt h ec o l o r ，c y c l e o fg r o w t h ，b i o m a s sc o n c e n t r a t i o no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a t h eo p t i m a l c o n d i t i o no fg r o w t ho fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aw a st h a tb i o m a s sc o n t e n t 3 0 ，p hb e t w e e n7 t o7 5 ，t h et e m p e r a t u r eb e t w e e n3 0 。ct o3 5 。c ， i l l u m i n a t i o ni n t e n s i t yb e t w e e n2 4 0 0 l xt o4 8 0 0 l x ，u s i n gs o d i u ma c e t a t ea s c a r b o ns o u r c e t h er e s u l t so fd e g r a d a t i o ne x p e r i m e n ts h o wt h a t ，w h i l et h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fa n i l i n ew a s10 0m g l ，t h eo p t i m u mp hc o n d i t i o nf o rt h e d e g r a d a t i o i no fa n i l i n ew a s7a n dt h et e m p e r a t u r ew a s30 。c ，i l l u m i n a t i o n i n t e n s i t yw a s4 8 0 0 l x ，t h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yr e a c h e d9 0 a f t e r7d a y s t r e a t m e n tw h i l ei n i t i a lb a c t e r i ar a t i oe q u a l st o30 a n du s i n gs o d i u m a c e t a t ea sc a r b o ns o u r c e t h er e s u l t so fp i l o tt e s ti n d i c a t et h a t ，t h ep ho fa n i l i n ew a s t e w a t e rr i s e f r o m7t o9 ，a f t e ra n i l i n ew a s t e w a t e rb e i n gt r e a t e db yp s bi np i l o tp l a n tf o r 15d a y s ，t h et o co fa n i l i n ew a s t e w a t e rc o u l db er e d u c e df r o m9 0 m g lt o 7 0 m g l ，a n dt h er e m o v i n gr a t eo ft o cw a s2 2 2 ，t h et no fa n i l i n e w a s t e w a t e rc o u l db er e d u c e df r o m15 m g lt o13 m g l ，a n dt h er e m o v i n g r a t eo f t nw a s1 3 3 k e y w o r d s ：p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，a n i l i n e ，d e g r a d a t i o n ，p i l o tp l a n t ， t o c ，t n 光合细菌降解苯胺废水的研究 p s b 光合细菌； h p l c 高效液相色谱仪； a 5 l r 5 1 0 衄处的吸光度； l x 勒克斯，光照强度的单位； t o c 总有机碳，m g l 耵卜总氮，m g l 符号说明 浙江工业大学硕士学位论文 i l l 光合细菌降解苯胺废水的研究 1 1 课题背景与意义 第一章前言弟一早月ui 随着化工行业的日益发展，有机污染物的数量与种类正在逐年增长，大量有 毒有害的有机污染物被排放到河流中，造成了水体的严重污染。苯胺是芳香胺类 最有代表性的物质，是一种具有芳香气味的无色油状液体，广泛应用于国防、印 染、塑料、油漆、农药和医药工业等，同时也是严重污染环境和危害人体健康的 有害物质，是一种“致癌、致畸、致突变 的三致物质。由于苯胺具有长期残留 性、生物蓄积性、致癌性等特点，被美国e p a 列为优先控制的1 2 9 种污染物之一 【l 】；也被列入“中国环境优先污染物黑名单”中，在工业排水中要求严格控制。苯 胺在生产和使用过程中不可避免地泄漏到环境中，这些污染物一旦进入环境，对 环境保护和人类健康造成极大威胁。 苯胺废水的处理的方法有很多，传统方法有物理和化学方法，但随着废水处 理技术快速发展，人们发现生物处理法具有快速高效、经济实用、安全简便等优 点。生物处理法主要是微生物在酶的催化作用下，利用微生物的新陈代谢功能， 对污水中的污染物质进行分解和转化。 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，p s b ) 是地球上出现最早、自然界中普遍 存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是在厌氧条件下进行不放氧光合作用 的细菌的总称，是一类以光作为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然 界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。光合细 菌广泛存在于自然界的海洋、湖泊、江河、水田、污泥及土壤中【2 】2 。光合细菌不仅 能够降解简单的有机化合物，还能处理环境中较难降解的卤代化合物和芳香化合 物。光合细菌处理有机废水，具有占地少、投资省、能耗低、设备简单、可直接 处理高浓度有机废水、几乎不产污泥等优点。因此，将光合细菌应用到废水处理 中具有广阔的应用前景。 1 2 课题的研究目的 本研究的出发点是光合细菌的增殖培养和光合细菌在培养箱中及反应器中降解 浙江工业大学硕士学位论文 光合细菌降解苯胺废水的研究 苯胺废水。光合细菌作为地球上最古老的一类原核微生物，其复杂多样的生理特性使 它在环境污染处理方面有着广泛的应用。目前对其研究主要集中在农业、畜牧、水产 养殖和处理有机废水、资源化利用等方面。本研究目的是通过光合细菌的培养，确定 光合细菌最适宜生长环境，并讨论光合细菌降解苯胺的可行性，寻求快速降解苯胺 的外界条件，为后期反应器处理苯胺废水提供基础数据，并为后期工程上降解苯 胺提供一定的理论依据。 浙江工业大学硕士学位论文 2 光合细菌降解苯胺废水的研究 2 1 苯胺简介 第二章文献综述 苯胺( a n i l i n e ) 是最简单的一级芳香胺。无色油状液体，熔点一6 3 ，沸点 1 8 4 ，相对密度1 0 2 ( 2 0 4 c ) ，相对分子量9 3 1 2 8 ，加热至3 7 0 分解。稍溶 于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。暴露于空气中或日光下变为棕色。可用水 蒸气蒸馏，蒸馏时加入少量锌粉以防氧化。提纯后的苯胺可加入1 0 - - - 1 5 p p m 的 n a b h 4 ，以防氧化变质。苯胺的工业制法主要有两种：一是由硝基苯经活性铜催化 氢化制备，此法可进行连续生产，无污染。二是氯苯和氨在高温和氧化铜催化剂 存在下反应得到。 苯胺是农药、染料、塑料和医药工业的重要原料【3 】。环境中的硝基芳香化合物 和苯胺类农药的微生物转化也可形成苯胺【4 】。此外，在印染废水的生物脱色处理中 也可能有苯胺的形成【5 1 。苯胺是有毒有害物质，具有致癌作用，排放到环境中会严 重污染环境和危害人体健康，因此需要严格控制在一定含量范围内【6 】。 国内外许多学者都曾分离得到一些能降解苯胺、氯代苯或甲基苯胺的细菌， b a c h o f e r 等人证明了在卡诺氏菌中苯胺通过加双氧酶催化反应形成邻苯二酚，再在 邻苯二酚1 ，2 - 力口双氧酶或邻苯二酚2 ，3 力口双氧酶的作用下开环，形成微生物可 利用的碳源和能源化合物【刀。 2 2 苯胺废水的处理技术 目前处理苯胺废水的方法有很多，除了常用的物理、化学、生物等方法外， 国内外还出现了一些新的苯胺废水处理技术。 2 2 1 物理法处理苯胺废水的研究 ( 1 ) 吸附法 吸附法是常用的一种废水处理方法。这种方法是用吸附剂或滤床将废水中的 苯胺吸附到多孔物质的表面上或被过滤除去。徐越群等f 8 】研究了活性炭纤维( a c f ) 对苯胺的吸附作用，结果表明苯胺在活性炭纤维上的吸附量较大，l a n g m u i r 吸附 等温式能较好地反映其吸附等温线，a c f 容易吸附苯胺，且吸附能力较好，而且 浙江工业大学硕士学位论文 光合细菌降解苯胺废水的研究 a c f 对苯胺的吸附时间快，4 m i n 就达到吸附平衡。吸附法具有处理效果好，再生 能力强等特点，但常会造成二次污染。 ( 2 ) 萃取法 萃取法是采用与水互不相溶但能溶解污染物的萃取剂，使其与废水充分混合 接触后，利用污染物在水中和溶剂中不同的分配比分离和提取污染物的一种废水 净化方法。冯旭东等【9 】在考察有机溶剂和络合剂p 2 0 4 生物降解性的基础上，对苯 胺和间氯苯胺稀溶液进行了溶剂萃取和络合萃取的研究，论证了萃取置换法治理 难降解有机废水的潜力。r am a r i am u r t h y 掣1 0 】研究了煤油为膜相、s p a n8 0 为表面 活性剂、h c l 为膜内相的液膜对苯胺的萃取情况。在4m i n 内，9 9 5 的苯胺能被 萃取，但苯胺的去除量和去除率受乳状液所占比例及h c l 在乳状液中所占比例的 影响，用异丙醇作为反乳化剂可使9 8 的膜相重复使用。萃取法具有处理设备简 单，工艺简易等特点，但会造成二次污染。 ( 3 ) 膜分离法 膜分离法中反渗透( r o ，r e v e r s eo s m o s i s ) 、超滤( u f ，u l t m f i l t m t i o n ) 、微滤( m ， m i e r o f i l t r a t i o n ) 和纳滤m ，n a n o f i l t r a t i o n ) 能有效去除水中嗅味、色度、各种离子、 消毒副产物前体、大分子如腐殖酸和灰黄霉酸等多种有机物和微生物。采用膜萃 取工艺处理苯胺废水，工艺运行稳定，苯胺去除率高 1 l 】。膜分离法具有良好的改 善水质能力，但建设和运转费用较高，需要高水平的预处理和定期的化学清洗， 且其浓缩废水处理比较困难。 2 2 2 化学法处理苯胺废水的研究 ( 1 ) 超声波降解法 超声技术是利用声空化能量加速和控制化学反应提高反应速率的一种新技 术。傅敏等【1 2 】以苯胺溶液为研究对象，考察了超声时间、苯胺溶液浓度、p h 、氧 化剂h 2 0 2 的投加量等因素对其超声降解率的影响。结果表明：超声时间越长，苯 胺初始浓度越高，废水p h 为中性时，苯胺降解率最高。超声波方法是一种清洁、 高效的处理方法，但耗能较大，且噪声较高，性价比不高。 ( 2 ) 电化学降解法 电化学降解是通过阳极反应直接降解有机物，或通过阳极反应产生羟基自由 基( h o ) 、臭氧类的氧化剂降解有机物。李慧等【1 3 】研究了电压、p h 、电解质和电 解时间对苯胺降解率的影响，得出电压的影响最大，p h 的影响次之，再次是电解 浙江工业大学硕士学位论文 4 光合细菌降解苯胺废水的研究 时间，而电解质的投加量对苯胺降解率的影响比较微弱。并为工业应用确定了反 应条件：电解电压为6 v ，p h = 8 ，电解时间为6 0 m i n ，n a 2 s 0 4 浓度为9 9 l 。王玉 玲等 1 4 】还研究了以s n 0 2 t i 为阳极降解苯胺的电化学降解特性。实验结果表明，苯 胺在s i 0 2 t i 电极上氧化降解速率主要决定于其中间产物的阳极溶解行为，由中间 产物构成的有机膜的阳极溶解是反应的慢步骤。当溶液p h 为9 o 、电流密度控制 在膜的溶解速度附近，可获得最佳的电流效率和苯胺的去除率。e b r i l l a s 等【1 5 】 在苯胺浓度为1 0 0 0 p p m ，温度为4 0 。c ，电解池中p h = 3 等条件下研究了苯胺降解 规律，还研究了电f e n t o n 法和过氧絮凝法对苯胺的降解，研究发现，电f e n t o n 法 在2 0 a 条件下，2h 后t o c 降解率为6 1 ，而过氧絮凝法可达9 5 的降解率。电 化学降解法具有降解更彻底、不易产生有毒中间产物的特点，但这种方法同样是 能耗大，投资高。 ( 3 ) 二氧化氯氧化法 二氧化氯氧化法主要是把硝基苯类化合物在二氧化氯作用下经还原反应生成 苯胺类化合物。于德爽等f 1 6 】根据某公司染料废水出水经常含有大量的苯胺类物质， 苯胺类物质对微生物的毒性较大，于是提出了采用二氧化氯氧化去除染料废水中 苯胺类物质的方法。结果表明：当污水中苯胺质量浓度5 0m g l 时，二氧化氯投 加量为1 6 0 m g l 时，可以使出水苯胺质量浓度降至qm g l ，去除率达到9 6 左右。 二氧化氯氧化法具有运行费用低，处理效率高等特点，但其适用范围较小。 ( 4 ) 超临界水氧化法 超临界水氧化技术( s c w o ) 以超临界水为反应介质，空气、氧气或过氧化氢等 为氧化剂，通过高温高压下的自由基反应，将苯胺等有机物氧化为二氧化碳、水 和氮气以及盐类等无毒的小分子化合物【1 7 1 。王景昌等【1 8 】利用自建的超临界水氧化 实验装置，以苯胺为模型污染物研究处理染料废水过程中各个参数对苯胺降解率 的影响。结果表明，超临界水中的氧化反应能有效去除染料废水中的苯胺。本方 法具有很大潜在优势的环保新技术，但超临界水氧化法大多处于实验阶段，还未 应用与实际中。 2 2 3 生物法处理苯胺废水 由于苯胺废水的毒性强，且具有苯环不易生物降解，因此在废水处理过程中 可在厌氧或缺氧条件下将其转化为易于生物降解的有机物，从而提高废水的可生 化性，为后续的好氧处理提供良好条件【1 9 】。随着高效苯胺降解菌的筛选分离，某 浙江工业大学硕士学位论文 5 光合细菌降解苯胺废水的研究 些好氧细菌可以将苯胺的去除率达到8 0 以上，甚至1 0 0 。因此，微生物处理苯 胺废水具有很大的潜力。苯胺类化合物受微生物作用而降解有几个共同的步骤， 即微生物细胞与化学物质的相互作用过程，并最终代谢为简单的化合物，如c 0 2 、 c h 4 和h 2 0 t 2 0 】等。孔秀琴等【2 1 】贝0 利用预酸化p s b 活性污泥法处理苯胺废水，结果 表明：在2 4 h 的停留时间下，c o d 去除率达到9 6 1 ，苯胺去除率达到9 7 。曹 宏斌【2 2 】等以a n 3 菌和硝化类细菌构成的复合生物膜降解苯胺，结果表明：挂膜期 间苯胺中的氮首先被降解成氨，然后进一步生成亚硝酸根或硝酸根。生物膜代谢 的最佳p h 值范围是6 旷7 5 重金属离子，尤其是h 9 2 + ，通常会对生物膜的代 谢活性产生抑制作用。顾加兵等【2 3 】采用汽提生化法处理工艺处理苯胺废水，其中 生化处理采用具有能代谢难降解有机物能力的h s b 菌种和u a s b 与s b r 法串联 的工艺。中试及工程运行结果表明，处理后的苯胺污水苯胺去除率 9 9 ， c o d c r 10 0m g l 。 对于这几种苯胺废水的传统处理方法而言，化学法和生物法不能够回收利用 苯胺，且化学法成本高，生物法需要对废水进行大量稀释；物理法虽然能够回收 苯胺，但其存在吸附剂再生困难和反萃取工艺繁琐等缺点，不适宜工业化应用1 2 4 1 。 2 2 4 新型技术处理苯胺废水的研究 ( 1 ) 超声光催化技术 超声光催化技术主要基于声空化效应产生的强氧化性物质直接和间接地作用 于水体中的有机污染物。颐浩飞等【2 5 】以苯胺及其8 种衍生物为研究对象对超声 光催化氧化进行了进一步的研究，并深入探讨了不同衍生物结构对降解反应的影 响。结果表明：超声光催化降解苯胺及其衍生物具有良好的效果，且超声对光催 化的确有一定的增强作用。 ( 2 ) 加压生化法 加压生化法是在传统生化法的基础上，通过提高生化系统的压力来增加氧的 分压，继而改善系统的氧传递性能，有效地克服了传统生化法处理中氧传递限制 的一种废水处理新技术。雷彩虹等【2 6 】研究了加压生化法处理苯胺废水的进程，并 考察了系统压力、曝气量、曝气时间及污泥浓度等因素对苯胺废水中有机污染物 去除率的影响。实验结果表明，在进水c o d c r 为2 0 0 0m g l 时，压力控制在o 1 0 m _ p a ，曝气量为7 5m 3 ( m sh ) ，经过8 0 h 曝气，出水c o d c r 弋 8 5 。加压生化法通过提高系统压力，使氧传递速率增大，有效地克服了 浙江工、i k 大学硕士学位论文 6 光合细菌降解苯胺废水的研究 生化过程中氧传递的限制。 ( 3 ) 电子束辐照降解技术 电子束辐照降解技术是利用高级氧化技术( a o p s ) 辐射技术来降解废水的一种 技术。边绍伟【2 7 1 以苯胺类化合物中的苯胺为具体对象，进行了苯胺水溶液受到电 子束辐照后的降解过程和特性研究，分别考察了吸收剂量、溶液初始浓度、溶液 初始p h 和过氧化氢加入量等因素对苯胺辐照降解效果的影响。实验结果表明，电 子束辐照可以有效降解水溶液中的苯胺，当苯胺初始质量浓度为7 0m g l ，吸收剂 量为2 3 7j g 时，苯胺降解率9 1 ，c o d c ，去除率2 7 。 ( 4 ) 声电联合技术 声电联合技术是以电化学氧化降解为基础，通过超声波的空化效应提高电化 学氧化降解效率的一种协同处理技术。高宇等【2 8 1 采用超声波协同电化学氧化法处 理苯胺溶液，考察了超声时间、苯胺浓度、溶液p h 、电解电压、电解质浓度等因 素对苯胺降解率的影响。试验结果表明：在超声波与电化学联合作用下，苯胺降 解率随降解时间的延长而提高，苯胺浓度无论高低，声电联合作用完全去除苯胺 只需3 0m i n ，电化学单独作用完全去除苯胺约需要1 2 0m i n ；苯胺初始浓度较低时， 其降解率较高；随着p h 的增大，苯胺降解率先降低后提高，p h 为1 0 左右苯胺降 解率最高；电解质n a 2 s 0 4 的浓度对苯胺降解率影响不大：电解电压在4 1 2v 范 围内，苯胺降解率随电压升高而提高，电压为1 6v 时，其降解率下降。 2 3 光合细菌简介 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，简称p s b ) 是地球上出现最早、自然界中 普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是在厌氧条件下进行不放氧光合 作用的细菌的总称，是一类没有形成芽孢能力的革兰氏阴性菌，是一类以光作为 能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作 为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水 田、沼泽、湖泊、江海等处，主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。 2 3 1 光合细菌的分类 自然界中能以光合作用产能的细菌根据它们所含光合色素和电子供体的不同 而分为产氧光合细菌( 蓝细菌、原绿菌) 和不产氧光合细菌( 紫色细菌和绿色细菌) 。 蓝细菌，这是一类含有叶绿素a 、以水作为供氢体和电子供体、通过光合作用 浙江工业大学硕士学位论文 7 光合细菌降解苯胺废水的研究 将光能转变成化学能、同化c 0 2 为有机物质的光合细菌。由于它们具有与植物相 同的光合作用系统，历史上曾被藻类学家归为藻类，称为蓝藻。对蓝细菌细胞结 构的研究表明，蓝细菌的细胞核不具有核膜，没有有丝分裂器，细胞壁由含有二 氨基庚二酸的肽聚糖和脂多糖层构成，革兰氏染色阴性，分泌粘液层、荚膜或形 成鞘衣，细胞内含有7 0 s 核糖体，虽具有叶绿素的光合色素，但不形成叶绿体， 进行光合作用的部位是含有叶绿素a 、p 胡萝卜素、类胡萝卜素、藻胆素( 包括藻 蓝素和藻红素) 的类囊体( t h y l a k o i d s ) 。蓝细菌的这些与原核生物相近的特征，使它 们成为细菌家族的一员。以藻蓝素占优势的色素使细胞呈现特殊的蓝色，故而得 名为蓝细菌。按形态可分为5 大类群，包括2 9 个属。蓝细菌的细胞大小差异悬殊， 最小的聚球蓝细菌属( s y n e c h o c o c c u s ) 其直径仅为o 5 1 p m ，而大颤蓝菌属 ( 仇c f 抛幻，f 口) 可超过6 0 岫。蓝细菌在自然界中的分布极广，河流、湖泊和海水等 水域中常见。蓝细菌的营养极为简单，不需要维生素，以硝酸盐或氨作为氮源， 多数能固氮，在水稻田中培养蓝细菌可保持和提高土壤肥力。一些实验证明将蓝 细菌作为食物和辅助营养物，可用于治疗肝硬化、贫血、白内障、青光眼、胰腺 炎等疾病。对糖尿病、肝炎也有一定的疗效。蓝细菌有别于真核生物的放氧光合 作用，可能是地球上生命进化过程中第一个产氧的光合生物，对地球上从无氧到 有氧的转变、真核生物的进化起着里程碑式的作用。 紫色细菌，这是一群含有菌绿素和类胡萝卜素、能进行光合作用、光合内膜 多样、以硫化物或硫酸盐作为电子供体、沉积硫的光能自养型细菌。因含有不同 类型的类胡萝卜素，细胞培养液呈紫色、红色、橙褐色、黄褐色，故称为紫色细 菌。红螺菌属( r h o d o s p i r i l l u m ) 、红假单胞菌属( r h o d o p s e u d o m o n a s ) 和红微菌属 ( r h o d o m i c r o b i u m ) ，曾被认为不能利用硫化物作为电子供体以还原c 0 2 构成细胞物 质，所以一直称它们为非硫紫色细菌。后来发现，这些细菌的大多数尚可以利用 低浓度的硫化物，现归为紫色硫细菌，多分布在淡水、海水和高盐等含有可溶性 有机物和低氧压的水生环境中，也常见于潮湿的土壤和水稻田中。 2 3 2 光合细菌的基本特性 2 3 2 1 光合细菌的菌体组成及营养成分 光合细菌的菌体组成及营养成分见表2 1 ，氨基酸组成见表2 2 。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - l 光合细菌的菌体组成及营养成分 t a b l e 2 - i t h ec o m p o s i t i o na n dn u t r i e n tc o n t e n t o f p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a 单位：蛋白质- 灰分( ) ，维生素辅酶q ( u g g ) 表2 2 光合细菌的氨基酸组成( ) t a b l e 2 - 2a m i n oa c i dc o m p o s i t i o no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a 光合细菌菌体的营养成分十分丰富，其蛋白质的含量高达6 5 4 5 ，b 族维生 素含量也极为丰富，生物素含量也比较丰富【2 9 】。生理活性物质辅酶q l o 的含量高达 1 7 4 4 3 3 9 9g - l x g ，能明显提高动物的免疫能力。 细菌叶绿素和类胡萝卜素组成了光合细菌菌体的光合色素，已发现的细菌叶 浙江工业大学硕士学位论文 9 光合细菌降解苯胺废水的研究 绿素有5 种，每种叶绿素的光吸收波长都不尽相同；而已发现的类胡萝卜素有8 0 多种，其中包括螺菌黄素、玫红品、番茄红素、叶黄素等f 3 0 1 。 2 3 2 2 光合细菌培养物的颜色 光合细菌因具有合作色素而呈一定颜色。一般而言，红螺菌科和着色菌科的 种类呈红色、粉红色、紫色或茶褐色，绿菌科和绿丝菌科的种类呈绿色。但也有 例外的现象，如红螺菌科中的r h o d o p s e u d o m o n a s 呈绿色；而绿菌科中的c h l o r o b i 啪p h a e o v i r i o i d c s 呈茶色或巧克力色。 红螺菌科和着色菌科的种类的培养物之所以呈现出由黄色到紫色的各种颜 色，是因为其具有类胡萝卜素的高浓度畜积，掩盖了细菌叶绿素的颜色而形成的。 那些类胡萝卜素含量较少的种类或因缺少类胡萝卜素的变异株便显示出细菌叶绿 素的颜色。 2 - 3 2 3 光合细菌的形状与大小 光合细菌菌体形态极其多样，有球形，卵形、杆状、弧状，螺旋状、环状、 半环状、丝状等，也有链状锯齿状，格子状、网状等，不但不同的菌种形态多 种多样，即使是同一种类也往往因培养条件和生长阶段的不同，而使细胞形态上 发生变化。尽管如此，许多菌种在细胞形态上仍然是各具特征的。 如类r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s 的细胞为球形，红微菌属( r h o d o m i c r o b i u m ) 细菌 的细胞呈丝状相连；绿突菌属( p r o s t h e c o c h l o r i s ) 的细胞为具有突起的确良球菌等。 以下为应用光合细菌废水处理系统和水产养殖系统中常见的种类： ( 1 ) 球形红菌：细胞呈球形。原名球形红假单胞菌( r h o d o p s e u d o m o n a s s p h a a e r o i d e s ) 。 ( 2 ) 胶质红假单胞( r c a p s u l a t a ) ，现名r h o d o b a c t e rc a p s u l a t e ，细胞杆新诗，较细 长。 ( 3 ) 荚膜红假单胞菌( r c a p s u l a t a ) ，现名r h o d o b a c t e rc a p s u l a t e 。 ( 4 ) 沼泽红假单胞菌( r p a l u s t r i s ) ：芽殖，母细胞于鞭毛的相对两极相对处产生 纤细的管子，末端膨大形成芽体，又发育成母细胞同样大小的细胞。两者又发生 不同步的分裂，形成玫瑰花饰状的细胞丝。 ( 5 ) 深红螺菌( r s p r u b r u m ) ：菌体呈螺旋状，运动较快。 ( 6 ) 度光红螺菌( r s p p h o t o m e t r i c u m ) ：可见两根端生的鞭毛。 光合细菌细胞的大小因种类而异，变化较大。如r h o d o c y c l u sg e l a t i n o s u s 在 浙江工业大学硕士学位论文 1 0 光合细菌降解苯胺废水的研究 0 4 - - - 0 5 1 2um ，c h r o m a t i u mo k e n i i 的细胞则大得多，大体在4 5 6 0 3 1 0 l im 之间。一般情况下，红螺菌科的种类细胞的大小为0 6 - - 一0 7 1 1 0um 之间； 着色菌科的种类的细胞大小在1 - - 一3 2 1 5um 之间，绿蓖科种类的细胞大小在 0 7 - - - 1 l 2 l am 之间。 2 3 2 4 光合细菌的分裂方式 光合细菌绝大多数种类都以2 分裂方式进行增殖，只有少数种类例外。一种 例外的情况是芽分裂增殖方式，子细胞与母细胞之间有柄相连；这种情况多见于 范尼氏红微菌( r h o d o m i e r o b i u mv a n n i e l i i ) 和治泽红假单胞菌( ( r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t r i s l 。另一种情况是进行极性伸长分裂，这种情况见于绿菌科的暗网菌属 ( p e l o d i c t y o n ) 。 2 3 3 光合细菌的生理特性 光合细菌是代谢类型复杂、生理功能广泛的微生物类群。各种光合细菌获取 能量和利用有机质的能力不同，它们的代谢途径会随着环境的变化而发生改变。 从营养类型看，光合细菌可分为光能自养型、光能异养型及兼性营养型；从呼吸 类型看，光合细菌又可分为好氧型、厌氧型和兼性厌氧型f 3 。在厌氧光照、好氧 光照或好氧黑暗条件下，红螺菌科的光合细菌均能利用有机物获得能量，进行生 长繁殖，其中某些菌株还能还原硝酸盐而发酵生长。 光合细菌在1 0 4 5 c 的温度范围内均能正常生长，其最佳温度范围在3 0 4 0 。c 之间。大多数光合细菌的最佳p h 值范围在7 0 8 5 之间。光合细菌生理代谢中的 必需元素有钠、钾、钙、钻、镁和铁等。光合细菌不仅能在厌氧光照的条件下利 用光能同化c 0 2 ，而且还能在某些条件下进行固氮作用和在固氮酶作用下产氢【3 2 】。 光合自养细菌属于厌氧细菌，能在缺氧条件下进行不放氧的光合作用。光合 自养细菌中一些含硫的光合细菌，能进行类似植物的光合作用来制造有机物。这 类细菌所进行的光合作用主要是以h 2 s 为供氢体，c 0 2 为碳源。其反应方程式如 下： 2 h 2 s + c 0 2 与( c h 2 0 ) + h 2 0 + 2 s ( 2 - 1 ) 光合异养细菌又叫兼性厌氧菌，基本上属于非硫细菌，可以在有氧和无氧的 环境中生长繁殖，光合异养菌进行光合作用是在无氧的条件下，主要以有机物作 为供氢体，c 0 2 为碳源【3 3 1 。其反应方程式如下： 浙江工业大学硕士学位论文 光合细菌降解苯胺废水的研究 2 h 2 a + c 0 2 ( c h 2 0 ) + h 2 0 + 2 a ( 2 - 2 ) 式中：h 2 a 代表有机物，( c h 2 0 ) 表示对供氢体基质，用于生长和繁殖。 另外还有一种兼性光合细菌，它们对供氢体有较大的选择性，当环境中的有 机物较多时，就进行光合异养代谢，而当环境中的有机物较少时，就进行光合自 养代谢。这类光合细菌在进行光合作用时也不一定以c 0 2 作为碳源，在环境中缺 少c 0 2 时，也能以各种有机物作为碳源兼作供氢体。 c 4 h 6 0 5 + h 2 0 山2 ( c h 2 0 ) + 2 c 0 2 + 2 h 2 ( 2 3 ) 除了能在厌氧光照的条件下进行不放氧的光合作用外，绝大部分光合细菌还 具有固氮能力。光合细菌能直接利用水体中的溶解氧合成有机氮化合物，并在厌 氧的环境中以硝酸盐或亚硝酸盐作为生理代谢上的氧化剂，因此它能直接消耗水 体中的硝酸盐和亚硝酸盐。 2 4 光合细菌在环境保护中的应用 2 4 1 光合细菌在水产养殖中的应用 2 4 1 1 光合细菌的净化水质作用 随着水产养殖业的快速发展和集约化程度地不断提高，加上大量投喂人工饵 料等，水源水及养殖自身污染日益加剧，水产养殖病害呈逐年增加趋势。为有效 控制水质恶化问题，我国的养鱼池和养虾池等正在普遍推广使用光合细菌来净化 水体。近十多年来，水产科研单位在此方面进行了大量的研究，并取得丰硕成果。 刘中等【3 4 】着重研究了光合细菌在鱼苗鱼种及成鱼养殖中的应用。实验结果表 明，光合细菌可使池塘底物中的硫化物、有机物含量明显下降，提高鱼类成活率。 乔振国【3 5 】等研究了三株光合细菌对虾饲料及其养殖效果的研究，结果表明，分离 出来的沼泽红假单胞菌、球形红假单胞菌、荚膜红假单胞菌能明显加速分解有机 物并进而改善水质。徐成斌等【3 6 l 贝, j j 研究光合细菌在河蟹养殖中的应用，结果表明， 4 种光合细菌的混和菌株可有效去除养殖水中c o d c r 和n h 3 - n 提高水中溶解氧含 量并促进河蟹生长。 2 4 1 2 光合细菌作为饲料添加剂的效果 光合细菌含有丰富的营养物质，其在养殖水体中的大量存在，可为水体中的 浮游动物和水产养殖动物提供丰富的饵料。方法是先将光合细菌用水稀释，后均 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 光合细菌降解苯胺废水的研究 匀喷洒于配合饲料或鲜活饵料上，拌匀立即投喂或阴干后备用。尤玉博等【3 7 】采用 福州菜地沟泥分离和培养出来的光台细菌p 3 菌液作为饵料添加剂，结果表明使用 光合细p 3 作为鱼苗饵料添加剂时，短盖巨脂鲤鱼与革胡子鲶鱼苗的成活率都较 高，同时水箱的水可减少更换次数。王育锋等【3 8 】利用光合细菌菌液( 每毫升菌液 含菌体2 1 2 亿个) ，培育鲢、鳙、鲂、草鱼夏花鱼苗，经3 个多月饲养，夏花鱼苗 已育成1 1 8 厘米左右的鱼种试验池比对照池成活率高2 7 8 。黄皓【3 9 1 等利用光合 细菌作为仔鱼开口饵料的效果。实验结果表明，单纯使用光合细菌，鱼仔成活率较 高，但因营养成份不全面，仔鱼生长速度较慢，若将光合细菌和其它饵料混合使用， 则仔鱼在体长、体重和成活率方面均有显著提高。 2 4 1 3 应用光合细菌增强水产养殖动物的的抗病性 光合细菌对一些鱼病具有防范和治疗作用。光合细菌因其适应力和繁殖力强， 能竞争性抑制病原菌，同时含有抗病毒因子，可活化机体的免疫系统，使机体表 现出抵抗疾病能力的功能。张信娣【4 0 】等研究了光合细菌是通过生长代谢优势来阻 止病原菌的繁殖。张梁f 4 1 】等研究发现在饲料中添加光合细菌可使三种酶的活性明 显提高。 2 4 2 光合细菌在种植业中的应用 光合细菌是一种优质的微生物生物肥料，它在碳、氮的固定方面起着重要的 作用。光合细菌在农作物方面的研究报道，证明其能为植物提供氨基酸和核苷酸 等物质，同时能促进植物生长，并且可以提高农作物产量，改善土壤微生物群和 促进作物对土壤养分的吸收、减轻农药对农作物的毒害和降解残留农药等诸多方 面具有良好的作用。目前，光合细菌已在大豆、水稻、玉米等作物的生产中得到 应用。 邵双等 4 2 】采用光合细菌菌悬液根灌处理黄瓜幼苗，考查光合细菌对黄瓜的促 生效果，结果表明，用一定浓度的光合细菌处理黄瓜幼苗时，可使幼苗株高增高、 茎粗增粗、提高叶片叶绿素和类胡萝卜素含量促进生长效果显著。吴小平等f 4 3 】 在田间施用光合细菌，结果表明，光合细菌可提高大豆植株叶绿素含量，促进土壤 中固氮菌、根瘤菌、放线菌及细菌的生长，增加大豆根瘤数，从而促进大豆对土壤 中各养分的吸收，提高籽粒产量，改善品质。杨绍斌等】采用臭氧配合复合光合 细菌对棚菜残留农药进行降解，结果表明，在棚菜上市前1 周，选阳光充足的晴 天喷施复合光合细菌可有效降解棚菜残留农药，促进蔬菜生长，且防病抗病，尤 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 光合细菌降解苯胺废水的研究 其在采摘前1 2 d 再喷臭氧水以杀菌灭虫卵，效果更佳。史清亮等【4 5 】研究了光合细 菌在农业方面的应用，结果表明光合细菌在农业作物上施用具有其独特功效，与 其他微生物肥料相比，更具有综合效应，既可作种肥使用，增加生物固氮作用，提高 根际固氮效应，增进土壤肥力；又可以生理活性物质进行叶面喷施，改善植物营 养，增强植物生理功能和抗病能力，从而起到增产和改善品质的作用。 2 4 3 光合细菌在畜牧业中的应用 光合细菌是一类有益微生物，它富含优质蛋白源，含有多种氨基酸，同时富 含优质蛋白质，多种维生素、磷、钙及多种微量元素，特别是富含多种生理活性 物质，是近几年开始发展的新型优质饲料添加剂。薛志成【4 6 】研究了饲料中添加光 合细菌对不同生理期的奶牛的产奶情况的影响，结果表明母牛食用添加过光合细 菌的饲料后，每头奶牛产奶量增多，经济效益明显，具有推广价值。 2 4 4 光合细菌在有机废水处理中的应用 由于光合细菌在废水处理方面的独特优势，利用光合细菌处理高浓度有机废 水已经引起了国内外学者的高度重视，并得到了初步应用。目前，光合细菌能有 效处理的有机废水有粪便污水、生活污水、淀粉加工、染料加工、羊毛加工、啤 酒厂、油脂工业、精细化工及有机酸发酵工业等废水。 2 4 4 1 处理有机化工废水 研究表明，p s b 不仅对多种有机物有较强的分解转化能力，而且对一些毒性 物质具有较强的耐受性，可以用来处理农药、化工医药等多种化工有机废水。