利用紫外光催化缓解吡啶对微生物细胞生长的抑制论文.doc

利用紫外光催化缓解吡啶对微生物细胞生长的抑制论文 0前言 在各種污废水处理技术中生物处理法普遍被人们所采用16.其主要原因就是经济实用同时还具有操作简便等一系列优点.而在污废水处理的很多场合下活性污泥法是人们采用的最多的生物处理方法之一712.该方法已有百年的历史13在人们的心目中被视为可靠的水处理方法14.传统的生活污水或工业废水的活性污泥处理系统通常是为稳定的进水水质而设计的并且在长期的运行过程中已形成了稳定的微生物群落分布但这一稳定的微生物群落往往没有应对水质突然变化的能力.随着经济的高速发展新的化学药品层出不穷无论是生活污水还是工业废水处理系统都会面临突发事件的威胁.例如由于意外事故或是管理落后含有难降解的工业污染物会突然排放到常规的水处理系统.而传统的水处理系统中一旦有难降解有机污染物的排入会对活性污泥系统产生冲击严重的会导致活性污泥处理系统失效. 在这些难降解的有机污染物中吡啶（C5H5N）是一个代表.吡啶是重要的有机溶剂和精细化工原料广泛应用于合成橡胶、染料、医药、农药等领域15.吡啶具有恶臭和一定的毒性对神经有致毒作用对眼角膜有损害16.吡啶不仅是一类典型的难降解含氮杂环化合物还对微生物呈现强烈的抑制作用.因此一旦含有吡啶或类似化合物的工业废水排放到正常的生活污水或其他工业废水处理系统中很容易导致活性污泥中微生物群落发生改变或者处理效率下降进而产生水处理事故.因此如何在正常的生活污水或工业废水处理程序中对突发事件进行干预似乎应成为污水处理单元所应具备的一种应急措施和手段. 对于含有吡啶废水的处理已有很多报道.鉴于吡啶的生物难降解性质各种物理、化学的方法被人们所采用17并被用来作为生物处理之前的预处理.人们试图通过这些物理或化学的方法减缓吡啶对正常微生物的抑制同时提高吡啶的生物降解效率18. 在本研究中分别以葡萄糖和苯酚作为主要基质培养适宜的活性污泥体系以模拟生活和工业污水处理过程.然后在此基础上加入吡啶以考察常规的生活污水或工业废水处理系统中的微生物在突遇难降解有机物之后的微生物生长情况.再在此基础采用紫外光辐射的方法对吡啶进行处理以缓解其对微生物的抑制从而为常规的废水和污水处理过程中偶遇突发事件提供一种有效的预防措施.在此研究过程中还着重探讨吡啶在紫外光辐射下降解规律以探讨紫外辐射缓解吡啶对微生物抑制的机理从生物动力学的角度定量描述吡啶经过紫外光辐射前后的动力学变化为实际污废水的处理提供理论依据. 1材料与方法 1.1溶液的配制 实验所用葡萄糖、苯酚、吡啶和其他相关药品均为分析纯购自上海国药集团.溶液配制时先将配制质量浓度为5g/L的葡萄糖、苯酚和吡啶溶液作为母液在生物降解时根据实验设计用自来水稀释后配制成所需质量浓度的溶液. 1.2TiO2光催化薄膜板的制备 溶胶的制备：以钛酸四正丁酯与乙醇以14的体积比均匀混合在35水浴条件下将适量硝酸溶液在快速搅拌下缓慢滴入已配好的混合液中直至pH=3为止在室温的条件下慢速搅拌1h制成TiO2溶胶. 薄膜的制备：将洗净的毛玻璃在超声作用下（59kHz）通过浸渍提拉法涂膜提拉完备后将载体置于马弗炉内升温至500并保温1h后随炉冷却如此重复8次即得所需的锐钛矿晶型二氧化钛光催化薄膜板. 1.3吡啶溶液的光催化 光催化反应装置主要由暗箱、4根紫外灯管（8W=254nm）、磁力搅拌器（800r/min）、转子、表面皿（有效体积50mL）和二氧化钛光催化板组成.将光催化板置于表面皿中在表面皿中添加50mL水样并且运用磁力搅拌器和转子使表面皿中的水样进行均匀的内循环推动同时开启紫外灯对其进行光催化.表面皿中的水样水面距离紫外灯4cm距光催化板0.5cm.对吡啶的光催化时间为30min. 1.4降解菌的驯化培养 所用污泥取自龙华污水处理厂A/O池缺氧段取其上清液经过滤后将170mL上清液倒入摇瓶中. 葡萄糖降解菌的培养：在500mL的摇瓶中加入20mL营养液、10mL缓冲溶液、1mL微量元素溶液和自来水170mL再加入0.1g葡萄糖.随后将摇瓶至于摇床中培养（160r/min35）.在培养过程中监测OD600值.在OD600值有明显的上升溶液呈乳浊液后即葡萄糖菌液培养完成后开始实验.葡萄糖降解菌培养周期约2d. 苯酚降解菌的驯化培养：在摇瓶中加入5200mg/L苯酚20mL营养液10mL缓冲溶液1mL微量元素溶液随后将摇瓶至于摇床中（160r/min35）培养.在培养过程中监测苯酚质量浓度、OD600值.在OD600值有明显的上升并且苯酚24h降解率达到80%后即苯酚菌液培养完成开始实验.苯酚降解菌培养驯化周期约1个月. 微生物生长所用营养液含有（g/L）：Na2HPO44.26、KH2PO42.65、MgSO47H2O0.2、CaCl20.02、MnSO47H2O0.002. 微生物生长所用微量元素溶液含有（g/L）：FeCl24H2O1.5、NiCl26H2O0.024、CoCl26H2O0.19、CuCl22H2O0.002、MnSO47H2O0.1、Na2MoO42H2O0.024、ZnCl20.07、H3BO30.006. 微生物生长所用缓冲溶液溶液含有（g/L）：KH2PO48.5、K2HPO421.75、Na2HPO47H2O33.4、NH4Cl1.7. 1.5微生物生长配水 实验以不同质量浓度的葡萄糖+吡啶、苯酚+吡啶为碳源（质量浓度比为51）进行摇瓶实验.葡萄糖质量浓度及苯酚质量浓度分别为25、50、100、150、200、250、300mg/L吡啶质量浓度分别为5、10、20、30、40、50、60mg/L. 在摇瓶中加入170mL配水、葡萄糖和苯酚培养的菌液（10mL）、20mL营养液、10mL缓冲溶液、1mL微量元素溶液随后将摇瓶至于摇床中（160r/min35）进行恒温好氧培养.分析其进出水的OD600值. 1.6分析方法 OD采用紫外可见光分光光度计SHIMADZUUV2550（波长为600nm）测定. 2结果与讨论 2.1葡萄糖为基质时微生物的生长 每间隔一定时间测试培养液的OD值然后根据微生物细胞质量浓度与吸光度之间的关系求解出细胞质量浓度.图1所示是采用葡萄糖为基质时进行24h摇瓶培养微生物细胞生长的情况初始葡萄糖质量浓度分别为25、50、100、150、200、250、300mg/L.其中图1（a）是单独葡萄糖为基质图1（b）则是在图1（a）的基础上以质量浓度比为51加入吡啶吡啶质量浓度分别为5、10、20、30、40、50、60mg/L.比较图1（a）和（b）可以看出单独葡萄糖的对数生长期出现在反应开始后的第6小时而加入吡啶后其对数生长期出现时间延长变为8h.这从一方面说明了吡啶的加入对葡萄糖降解菌产生了抑制阻止了葡萄糖降解菌利用葡萄糖作为菌生长所需的能量.其次图1（a）中24h生物生长量几乎是图1（b）24h生物生长量的2倍.这从另一方面也反映出吡啶的加入不仅影响了微生物生长对数期出现的时间也影响了微生物利用葡萄糖作为碳源供生长的能力. 在上述实验的基础上同样比例的吡啶溶液先进行30min的光催化之后再加入到葡萄糖溶液中进行微生物细胞的培养如图1（c）.此时对数生长期仍然从8h开始.但最大细胞生长量要高于图1（b）.这表明对吡啶进行光催化之后由于吡啶会生成一些有利于微生物生长的中间产物19使得细胞生长量又有所增加. 2.2苯酚为基质时微生物的生长 同样根据苯酚为培养基时吸光度与细胞质量浓度之间的关系确定细胞质量浓度.图2是以苯酚作为主要碳源进行24h微生物细胞培养的情况.圖2（a）表示单独以苯酚培养基质时培养的情况苯酚的初始质量浓度分别为25、50、100、150、200、250、300mg/L.经过24h摇瓶培养其生物量生长的情况.图2（b）则是在图2（a）的基础上以苯酚质量浓度的1/5加入吡啶的情况.此时的初始吡啶质量浓度分别为5、10、20、30、40、50、60mg/L.比较图2（a）和（b）可以看出由于吡啶的加入微生物细胞的对数生长期明显延迟.同理吡啶加入后微生物细胞的最大生长量明显低于直接用苯酚作为基质时的细胞增长量.这也表明了吡啶的加入抑制了微生物对苯酚的利用.图2（c）则是对吡啶进行光催化之后再加入到苯酚溶液中去进行24h细胞培养的情况.与葡萄糖为基质进行细胞培养时一样对吡啶进行紫外光催化之后微生物细胞的生长量又有所增加. 比较图1和图2可以看出吡啶的加入会延迟微生物细胞对数生长期的出现时间.但以苯酚为主要基质时微生物细胞的最大生长量明显小于以葡萄糖为基质时的细胞生长量.這是因为葡萄糖是一种极易被微生物利用的有机物所以吡啶的加入对微生物生长量的影响十分大而对苯酚的影响则稍微小一些. 2.3细胞生长动力学 分别以微生物细胞在对数生长期内的生长量除以所用的时间求得微生物细胞的生长速率再除以此期间的平均细胞质量浓度得到微生物细胞的比生长速率.图3和图4分别表示了以单独葡萄糖和苯酚为主要基质时葡萄糖和苯酚初始质量浓度与微生物细胞初始生长速率之间的动力学关系.当直接以葡萄糖和苯酚为培养基质时动力学符合Monod模型：其中：和max分别是微生物细胞的比生长速率和最大比生长速率（h1）；KS是半最大反应速率质量浓度（mgL1）；CS是底物质量浓度（mgL1）. 当在葡萄糖和苯酚中按照质量浓度比为15的比例加入吡啶之后它们的动力学关系表现为抑制性动力学关系此时可以用Aiba模型描述.其中：KSI为抑制常数（h1）.但是如果吡啶经过光催化之后再加入的葡萄糖或苯酚溶液之后它们的动力学又成为无抑制的Monod模型.由此可以看出经过紫外光催化可以明显地减缓吡啶对微生物细胞生长的抑制作用. 表1是它们的动力学常数.由表1可以看出单独以葡萄糖和苯酚为培养基质时最大比生长速率max分别为5.9h1和0.8h1两者相差达到7倍之多.这表明葡萄糖的可生化性明显高于苯酚. 当按照质量浓度比为15的比例加入吡啶之后它们的最大比生长速率max分别降低到3.9h1和0.6h1即分别降低了34%和25%.葡萄糖为主要基质时降低的幅度要大许多.而对吡啶先进行光催化之后再加入时它们的最大比生长速率max又分别提高到4.8h1和1.1h1.这是由于直接将吡啶加入到葡萄糖或苯酚溶液时吡啶对微生物生长的抑制非常明显.而经过光催化之后由于吡啶在光催化作用下会生成一些有机酸如琥珀酸等1920而有机酸是有利于微生物生长的. 有意义的是当对吡啶进行光催化之后再加入的苯酚溶液时此时最大比生长速率max达到1.1h1.甚至超出单独以苯酚为基质时细胞的生长速率达38%. KS值是衡量微生物细胞对底物亲和性的指标且KS值与亲和性成反比.由表1可以看出无论葡萄糖或苯酚为基质培养微生物细胞时当吡啶加入后KS值都明显增加而加入经过光催化之后的吡啶时KS值都会不同程度地减小. KSI值表示吡啶加入后对微生物细胞生长速率的一种抑制.由表1可以看出无论是葡萄糖还是苯酚它们的抑制常数相同.这说明吡啶对这两种情况下的抑制机理是相同的.因此可以推测吡啶开环是缓解吡啶生物抑制性的关键光催化可以使大部分的吡啶开环提高了生物对吡啶的利用率. 3结论 分别以葡萄糖和苯酚模拟生活污水和工业废水进行生物处理通过加入吡啶来模拟实际废水处理过程中突发外来的难降解污染物对正常废水处理过程中微生物活性的抑制情况.研究结果发现以葡萄糖和苯酚为主要基质进行的微生物细胞培养中一旦吡啶加入之后都会对微生物的生长起到一定的抑制作用.但是若对吡啶进行紫外光催化之后可以明显降低吡啶对微生物的抑制作用.在苯酚为主要基质的生物培养过程中对吡啶进行紫外光催化后甚至还可以提高其可生化性.该实验结果对实际污废水的处理具有一定理论指导意义. 参考文献： 1AnHLiXYangQetal.ThebehaviorofmelamineinbiologicalwastewatertreatmentsystemJ.JournalofHazardousMaterials322：445453. 2AbouelelaSIFawzyMEElgendyAS.PotentialofusingbiologicalaeratedfilterasaposttreatmentformunicipalwastewaterJ.EcologicalEngineering84：5357. 3GuoJPengYNiBJetal.DissectingmicrobialmunitystructureandmethaneproducingpathwaysofafullscaleanaerobicreactordigestingactivatedsludgefromwastewatertreatmentbymetagenomicsequencingJ.MicrobialCellFactories14（1）：111. 4PajoumshariatiSZareNBonakdarpourB.Consideringmembraneseq