光合细菌固定化及对养殖水净化的研究.pdf

光合细菌固定化及对养殖水净化的研究 王 兰 廖丽华 南开大学 环境科学与工程学院 天津 300071 摘 要 采用海藻酸钠进行光合细菌固定化实验 比较了固定化菌和悬浮态菌的生长和生理特性 观察其在 载体中的分布 并对其净化养殖水的能力进行初步研究 结果表明 固定化大大提高了光合细菌的生长速率 粒径为 3 5 mm 菌初始密度为 0 12 mg 干菌泥 L 为最佳固定化条件 在生长初期 菌在载体内的分布不均 匀 后期趋于一致 在固定化菌净化养殖水的研究中发现 固定化光合细菌对养殖水的净化能力大大优于悬 浮态菌 关键词 固定化 光合细菌 生长特性 养殖水 净化 中图分类号 X172 文献标识码 A 文章编号 1005 7021 2005 03 0050 04 Photosynthetic Bacteria Immobilization and Its Purification on Aquaculture Water WANG Lan LIAO Li hua Coll of Environ Sci photosynthetic bacteria growth characteristic aquaculture water purification 自 20 世纪 80 年代中期光合细菌 photosyn thetic bacteria 在我国水产界开始研究应用以来 已有许多文献报道了其在鱼 虾 贝育苗和养殖方 面的应用 1 但迄今所采用的大多是游离态的光 合细菌 1 3 在流水条件下易被水流冲走 静水条 件下也易被其他生物所食 难以稳定地长期发挥 作用 而且因光合细菌菌体小无法自然沉降而限 制了其处理池水下层和池底有机物的能力 提高 光合细菌的沉降性 是弥补这些缺陷最好的方法 研究发现 将光合细菌同载体结合并固定化 4 可 明显提高其沉降性能 使净化水质效率提高且稳 定 5 6 同时还具有抗环境因子影响能力强 并可 长期保持包埋菌占优势而限制其他有害菌生长等 诸多优点 7 不必再经常培养和投放光合细菌 从 而降低养殖成本并提高养殖过程的稳定性 为 此 采用海藻酸钠进行光合细菌固定化实验 比较 了固定化菌和悬浮态菌的生长和生理特性 并对 其净化养殖水的能力进行了初步研究 1 材料与方法 1 1 供试菌 菌株由本实验室自行分离 鉴定为纤细红螺 收稿日期 2004 08 31 作者简介 王兰 女 副教授 博士 主要从事环境生物学的研究工作 50微生物学杂志 2005 年 5 月第 25卷第 3期 JOURNAL OF MICROBIOLOGY May 2005 Vol 25 No 3 菌 Rhodospirillum tneue Van Niel 改良培养基 30 光照培养 4 000 r min 离心 15 min 后收集 菌体备用 干固物含量为 25 1 2 菌体固定化包埋颗粒的制备 5 将离心收获的菌泥与 4 的灭菌并冷却至室 温的海藻酸钠胶液以 0 48 20 菌体湿重 g 胶 液体积 mL 简称菌胶比 的比例充分混匀后 用 注射器 蠕动泵控制 匀速滴入 4 4 的 CaCl2 溶液中 磁力搅拌 将形成的凝胶颗粒于 4 交 联 24 h 得到直径为 3 5 mm 的固定化颗粒 1 3 固定化颗粒中菌生长量测定 8 在对固定化光合细菌的生长和生理特征进行 测定时 必须先破坏小球 使菌释放出来 取一定 量的菌珠 用生理盐水洗涤干净 吸去多余水分 放入 0 2 mol L 柠檬酸钠溶 液中 磁 力搅拌 20 min 致使菌珠完全溶解 同样取固定化的未 经培养的颗粒进行上述处理 以其为对照 测定培 养后样品的吸光度 波长为 640 nm 1 4 水质理化特性测定 COD 用重铬酸钾法 氨氮用纳氏比色法测 定 9 1 5 模拟实验设计 实验用水为取自天津塘沽虾池的养殖水 加 入少量虾池底泥和对虾饵料 搅匀 沉淀静止 1 d 后取上层水样分装于 8 个有效容积为 1 L 的大 磨口瓶中 分成 4 组 组为空白对照组 组一 次性加入一定浓度的游离光合细菌 组一次性 加入相同量光合细菌的固定化细胞 组一次性 加入相同量无固定光合细菌的载体颗粒 放于 30 60 W 白炽灯下 30 cm 处进行厌氧光照培 养 每天取样 分别测定 COD 氨氮 2 结果与分析 2 1 固定化颗粒粒径大小对菌生长的影响 不同粒径固定化小球及悬浮态菌体生长如图 1 由图 1 看出 菌在固定化小球中依然可以快 速生长 而且生长的速度比悬浮态菌快得多 大球 4 5 mm 中菌的生长速度比小球 2 5 mm 中 更快一些 这可能是由于缺氧条件下更有利于光 合细菌的生长 自始至终固定化菌的生长速度均 大于悬浮态 说明固定化提高了菌体的合成代谢 但大球由于菌体生长速度过快 使固定化小球的 强度下降 因此本实验综合选择 3 5 mm 作为固 定化小球的粒径 图 1 光合细菌在不同粒径固定化小球中的生长 Fig 1 Growth of PSB in immobilized beads of different sizes 2 2 初始菌密度对固定化小球内菌生长的影响 选择 3 种初始菌密度 0 06 0 12 0 18 mg 干菌泥 L 制成粒径为 3 5 mm 的固定化小球 测定菌在固定化颗粒中的生长 见图 2 图 2 菌密度对菌生长的影响 Fig 2 Effect of initial PSB density on growth of PSB 从图 2 看出 3 种初始浓度菌的生长趋势大 致相同 只是菌的初始浓度越高 则越早进入对数 生长期 低菌浓度颗粒中菌在第 4 d 才进入快速 生长阶段 而中浓度为第 2 d 高浓度则几乎无延 迟期 另外 由图 2 可知 中浓度在培养后期菌 的最终密度与高浓度几乎无差别 只是其中初始 菌密度较低的菌的生长相对慢一些 而低浓度可 能是由于菌浓度太低限制了其繁殖速度 所以直 51 3 期 王兰等 光合细菌固定化及对养殖水净化的研究 到后期菌浓度仍相对偏低 另外 实验中还观察到由于高浓度条件下菌 繁殖速度过快 致使固定化颗粒的强度有所下降 后期有自溶的现象发生 因此 选择固定化的最佳 初始菌浓度为 0 12 mg 干菌泥 L 2 3 固定化颗粒的形态及菌在载体中的分布 固定化光合细菌颗粒由于初始菌浓度较低 培养初期固定化颗粒为白色 但随着培养时间延 长 菌体在颗粒内繁殖 颗粒颜色逐渐变红 切开 颗粒小球可明显看到 固定在载体中的菌细胞密 集在载体颗粒的内部 菌细胞在载体中的生长稀 密对比十分明显 这是由于光合细菌适宜在缺氧 光照的条件下生长 而后期随着菌体的大量繁 殖 菌细胞在载体中分布趋于一致 固定化颗粒变 成深紫红色 2 4 固定化光合细菌对养殖水的净化作用 本实验在模拟情况下所测定的各项水质指标 均取 2 个重复的平均值 在试验组加入游离光 合细菌或固定化光合细菌 每天分别测定包括对 照组在内的水质参数 测定结果见表 1 为考虑 固定化包埋材料对水质有关参数测定的影响 在 相同体积的模拟养殖水中 加入相同比例但不含 光合细菌的固定化颗粒 经 1 周的试验发现 除 了 COD参数偶尔略有上升外 其他数据同对照组 相应数据相似 说明包埋材料对本试验各项水质 参数测定影响不大 表 1 固定化光合细菌对养殖水的处理效果 mg L Table 1 T he results of immobilized PSB purifying aquiculture water t d 项目组别 0123457 氨氮 组3 543 462 982 542 322 031 83 组去除率 2 2615 8228 234 542 748 17 组3 543 162 752 111 861 511 10 组去除率 10 722 340 447 557 368 9 组3 542 671 510 810 550 470 36 组去除率 24 657 377 284 586 789 7 COD 组403 8389 5369 1333 9313 3306 1300 4 组去除率 3 548 6017 322 424 225 6 组40 38365 4333 5272 2241 5229 8206 3 组去除率 9 5117 432 640 243 148 9 组403 8323 8235 4172 4139 7118 399 7 组去除率 19 841 757 365 470 775 3 由表 1 可知 使用光合细菌后 在较短的时 间内 COD 即有不同程度的下降 特别是加入固定 化光合细菌后 氨氮在 1 周的模拟试验中下降了 89 7 而自然条件下只下降 48 17 从第 3 d 开始 固定化组平均氨氮去除率达 77 2 加入 游离光合细菌也能明显地降低水体中的氨氮 但 效果不及固定化光合细菌高 COD 自然去除率 为 25 6 加入游离光合细菌后 去除率达到 48 9 而固定化光合细菌则可使 COD 去除率上 升到 75 3 通过以上试验可以看出 光合细菌 尤其是固定化光合细菌具有明显的去除氨氮 有 机质的作用 其在净化水质方面具有非常明显的 优越性 3 讨 论 光合细菌对养殖水质的净化和生态调控作用 已得到充分肯定 然而在使用游离光合细菌时 必 须定期 定量地加入养殖池中才能稳定发挥作用 固定化光合细菌则不同 它不仅能在鱼池中长期 保留 而且还可以在固定化过程中人为地调控颗 粒的含菌量 并能筛选高效微生物 优化包埋条 件 使光合细菌始终处于优势地位 稳定地发挥净 52 微 生 物 学 杂 志 25 卷 化水质作用 细胞经固定化后增加了比重 从而 提高了处理池水下层和底质有机物的能力 经最 优化条件包埋的光合细菌活性强 基质通透性好 大大提高了有机质向球内扩散的能力 从而可高 效去除污染物 另外 有研究表明 使用光合细菌 可有效地增加水产品的产量 其主要原因是固定 化光合细菌能高效净化水质 特别是对氨氮等有 毒物质的去除 减轻了对水产品的毒害 使其能维 持正常的物质代谢 10 另外 固定化光合细菌不 受流水和换水的影响 在使用前可清洗 从而消除 了培养基影响水质的问题 光合细菌被包埋载体 固定化后 在微环境中占绝对优势 由于其高效去 除有机污染物而抑制了有害异养菌生长 间接地 起到了增加溶解氧和防病的作用 11 12 本实验 结果表明 固定化光合细菌在水产养殖上具有十 分广泛的应用前景 本实验发现 利用海藻酸钠固定光合细菌后 菌的生长和生理活性均有所提高 最适的固定化 颗粒粒径为 3 5 mm 菌初始密度为 0 12 mg 干 菌泥 L 在生长初期 菌在载体中的分布不均 匀 主要集中在固定化颗粒内部 后期趋于一致 在固定化光合细菌净化养殖水的研究中发现 1 周后 固定化细菌组平均氨氮去除率可达77 2 COD 去除率达 75 3 固定化光合细菌对养殖水 的净化能力大大优于悬浮态菌 参考文献 1 朱章玉 俞吉安 林志新 等 光合细菌的研究及其应用 M 上海 上海交通大学出版社 1991 274 284 2 郑爱榕 光合细菌及其在对虾养殖中的应用 J 中山大学 学报 自然科学版 2000 39 增刊 64 68 3 张满隆 杨绍斌 潘玉 光合细菌及其在鱼类养殖中的应用 J 水利渔业 2002 22 3 6 7 4 朱柱 李和平 郑泽根 固定化细胞技术中的载体材料及其 在环境治理中的应用 J 重庆建筑大学学报 2000 22 5 95 101 5 郑耀通 胡开辉 固定化光合细菌净化养鱼水质试验 J 中国水产科学 1999 6 4 55 58 6 曹宇 廖问陶 光合细菌固定化及其净化城市污水的研究 J 重庆环境科学 2002 22 4 42 43 7 况金蓉 冯道伦 龚文琪 固定化细胞技术在废水处理中 的应用 J 武汉理工大学学报 2001 23 11 88 91 8 黄国兰 孙红文 宋志慧 等 固定化藻类的生理特性和对染 料的脱色能力研究 J 环境科学研究 2000 20 4 445 449 9 国家环保局 水与废水检测分析方法 M 北京 中国环境 科学出版社 1989 10 Singhs Ebeling