翻译-表面活性剂面活性剂在好氧、缺氧、厌氧条件下生物降解的动力学研究

表面活性剂面活性剂在好氧、缺氧、厌氧条件下生物降解的动力学研究PRASANNAKMOHAN,GEORGENAKHLA,ERNESTKYANFUL土木和环境工程学院,西部安大略湖大学,伦敦,安大略省,加拿大N6A5B9摘要本项研究旨在测定表面活性剂面活性剂的生物降解系数，在好氧，脱氮，脱硫和厌氧的条件下使用呼吸计测定TRITONX100聚乙二醇辛基苯基醚和RHAMNOLIPID鼠李糖脂的生物降解能力，结果表面活性剂明鼠李糖脂较之TRITONX100有更好的生物降解能力，可以在所有条件下降解，而TRITONX100在好氧条件下可以部分降解，在厌氧，脱氮，脱硫的条件下无法降解。关键词生物表面活性剂面活性剂生物降解呼吸计好氧脱氮脱硫厌氧生物动力学1概述表面活性剂面活性剂经常用于PAH的处理，使污染物的表面活性剂面张力减小CARRIEREANDMESANIA，1995；KOSARIC，2001；MILLERANDZHANG，1997；YEOMETAL，1996，以便从土壤中释放而溶解在水中，但是，人们广泛考虑到PAH调整是以之后表面活性剂面活性剂的出路，一些研究表面活性剂明表面活性剂面活性剂可以被微生物降解（SWISHER，1987），表面活性剂的生物降解主要是在好氧条件下研究的。使用关键词（表面活性剂，生物降解，动力学，RHAMNOLIPID，TRITONX100）在SCIFINDERSCHOLAR和SCHOLARPORTAL数据库查询表面活性剂生物降解的相关文献。检索到在好氧状态（MULLIGAN，2005；MAIERANDSOBERONCHAVEZ，2000；NOORDMANETAL，2002；MATASANDAVOLETAL，2001），厌氧状态（HUDAKANDCASSIDY，2004；JENNINGSANDTANNER，2004）RHAMNOLIPID的微生物降解，和好氧状态（MATASANDAVOLETAL，2001；ADEELANDLUTHY，1995；ARONSTIENANDALEXANDER，1993），厌氧状态下（DOONGANDLEI，2003；FRANSKAETAL，2003；GONZALEZETAL，2001）的TRITONX100的微生物降解。这些文章主要是表面述性，没有进行微生物动力学的研究，而且在上述研究中，没有使用RHAMNOLIPID和TRITONX100作为唯一碳源，也没有动力学的研究。此外，也未有在脱氮，脱硫情况下的研究，据笔者所知也没有任何关于RHAMNOLIPID和TRITONX100的生物降解系数的报道。因此，缺少类似条件下表面活性剂生物降解动力学的研究。本项试验研究两种非离子表面活性剂的生物降解性能，一种是可降解的RHAMNOLIPID，另一种是难降解的TRITONX100。在四种条件下试验，好氧，厌氧，脱氮，脱硫，不仅补充以上研究，再次验证PAHS的降解，而且为表面活性剂（包括TRITONX100）描绘微生物降解系数。本试验使用呼吸机测定表面活性剂面活性降解的相关数据，在上面提及的四种情况，好氧，厌氧，脱硫，脱氮下进行。2仪器和方法21微生物菌种VIBRIOCYCLOTROPHICUS细菌从美国ATCC菌种保藏中心ATCCNO700982取得，这种微生物可以降解PAHS（HEDLUNDANDSTALEY，2001），反硝化菌从实验室的好氧反应器分离（以市政污水培养），并且在氮琼脂上接种，培养，生物降解试验就使用含氮营养液，细菌在培养基培养48H后用于试验研究。脱硫菌从实验室厌氧反应器（以市政污水培养）分离得到，细菌在去硫营养液中培养，厌氧菌从厌氧反应器污泥分离，在厌氧琼脂/营养液中培养，再培养皿富集六倍以上用于生物降解试验。22营养比例试验用营养液包括（浓度按G/L计）NA2SO4，142；NH4CL，27；MGCL26H2O，01；CACL22H2O，01；FECL3，002；K2HPO4，027；KH2PO4，035；NH4NO313；CHANGETAL，2002，2003营养液的成分基于ATCC的推荐。试验中使用的营养液有如下组成（浓度按G/L计）液体营养成分蛋白胨50，酵母膏10，柠檬酸铁01，氯化钠NACL1945，氯化镁MGCL2，干粉59，硫酸钠NA2SO4324，氯化钙CACL218，氯化钾KCL055，碳酸氢钠NAHCO3，016,溴化钾KBR008,氯化锶SRCL2340MG,硼酸H3BO3220MG,硅酸钠NA4SIO440MG,氟化钠NAF24MG,硝酸铵NH4NO316MGAND磷酸氢二钠NA2HPO480MG硝酸盐营养液浓酸牛肉汁30,蛋白胨40,蛋白酶NO310G和硝酸钾KNO310硫酸盐还原菌营养液蛋白胨50,浓缩牛肉汁30,酵母膏02,硫酸镁MGSO415,硫酸钠NA2SO415,硫酸铵铁FENH42SO4201,葡萄糖50厌氧微生物营养液酪蛋白酶100,蛋白胨100,酵母膏50,葡萄糖10,氯化钠NACL50,精氨酸10,丙酮酸钠10,血晶素50MG,维生素K105MG23表面活性剂TRITONX100C8H17C6H4OCH2CH2O95H购买自SIGMAALDRICHCHEMICALS公司,橡木镇,安大略省,加拿大。RHAMNOLIPIDC26H48O9ANDC32H58O13购买自JENEILBIOSURFACTANT公司,约克镇,威斯康星州,美国。3分析方法31表面活性剂降解呼吸测定法使用的AER208系统从CHALLENGEENVIRONMENTAL公司购得，呼吸计有8个500ML反应器，一个氧气瓶供氧，流动检测装置，一台电脑用以运行和储存数据。反应器水浴保持恒温，内部用磁力搅拌器搅拌，产生的CO2气体由内部的KOH溶液吸收，氧气以气泡形成通过计量装置进入反应容器，进入的气泡个数通过电脑记录，耗氧量OU和耗氧量OUR速率。在缺氧和厌氧状态下操作，反应器内生物反应生成的气体产生的微小压力将气体次吹过每个相应的检测装置，气体产生的气泡个数被电脑记录从而得到累计容量和速率。COD和VSS的测定以标准方法（APHA,1998）进行，OD培养基密度使用分光光度计（VARIANCANADA）在600NM波长处测定。32气体分析生物产生气体和氮气的组成通过色谱仪分析，色谱仪采用TCD检测器和2M长钢制色谱柱（80/100）氦气作为载气20ML/MIN烤炉温度70摄氏度，注射器和检测器温度80摄氏度，H2S气体采用滴定法测定（ADHA，1998）33试验条件好氧试验采用纯氧作为氧源，厌氧，脱氮，脱硫试验，反应器头部利于氮气吹到以达到所需条件，计算表面活性剂贡献的COD，不包含培养液含有的COD，RHAMNOLIPID的好氧降解试验包括8个反应器，其中一个为空白组（只有生物），其他七个反应器内RHAMNOLIPID的含量从1109到4700MG/L，溶解COD递增（减去培养液中的COD）所有的反应器接种好氧菌，菌种首先在营养液中培养一天至可视密度达0810MG/L，再加入50ML营养液，最后含有表面活性剂的容器中添加营养液至500ML。TRITONX100的好氧降解试验，包括4个反应器，其中一个为空白组，其他三组溶解性COD浓度从9001500MG/L不等，超过临界浓度（CMC）高浓度的表面活性剂（2G/L）可增强生物调节作用，因为高浓度的表面活性剂生物降解试验可以验证微生物确实可以降解表面活性剂。RHAMNOLIPID的厌氧，脱氮，脱硫条件下的试验，每组都有一个空白反应器和一个检测反应器，检测反应器初始的RHAMNOLIPID浓度分为为430、480、370MGCOD/L（减去营养液中的SCOD）。菌种在各自的培养基培养一天至可视密度达0812微米1，所有的反应器添加100ML营养液，有表面活性剂的反应器添加营养液至500ML。TRITONX100的厌氧，脱氮，脱硫条件试验同样每组都采用一个空白反应器和一个检测反应器，TRITONX100的浓度在所有的反应器中都一致，取1000MG/LSOLUBLECOD，KOH溶液作为CO2收集器使用。34动力学方程基本动力方程如下（GRADYETAL,1989YOUNG,1981）用以计算动力学系数对于呼吸计，微生物的动力学系数是在一定的常数下，利用EXCELL对积累耗氧量，耗氧速率，底物浓度，生物量浓度随时间的变化进行曲线拟合得到的，计算反应器中的耗氧量，公式14同行运用，得出的结果代入公式5可得理论曲线，有适量悬浮物的营养液中的可挥发性固体含量用初始可视密度估计，菌落平均直径8MM，培养基平均密度11G/CM3（MICHAEL,2001）。为进行曲线拟合，一系列参数需要测定（生物量，底物耗氧速率，半饱和系数），根据参数生成的曲线与理论曲线比较，根据相对误差APE（如公式T，实际与理论的差值比上实际的数据），确定最佳曲线。对于厌氧，缺氧，脱硫条件下产生的气体，根据不同的电子供体和电子受体，利用电子表面活性剂格进行修正，例如脱氮条件下，一分子NO3N可接受五个电子，在脱硫条件下，一分子硫酸盐可接受8个电子。对厌氧状态下来讲，052L/GCOD去除（035LCH4/GCOD，65甲烷含量），产生的能量用以转化COD为相应的气体。不考虑微生物繁殖，下面的公式描述了在厌氧，脱氮，脱硫条件下RHAMNOLIPID的降解。相应的，在厌氧状态下降解，甲烷占总气体的65，脱氮条件下，N2占总气体的333，类似的，脱硫条件下，H2S占总气体的3854结果与讨论41好氧降解图1表示的为初始SCOD浓度1700MG/L情况下的RHAMNOLIPID好氧降解理论曲线和实际曲线。RHAMNOLIPID耗氧量曲线表面活性剂明前10小时的短暂适应期，最终的累积耗氧量6328MG/L，与理论的6525MG/L相当吻合，实际的RHAMNOLIPID耗氧量曲线与理论曲线吻合很好，一个峰值之后较长一段平稳段。试验中的RHAMNOLIPID耗氧量峰值129MG/L，与动力学公式计算得到的127MMG/LH非常吻合。虽然理论的峰值出现时间比实际要延缓几个小时，但是迅速降解后有较长一段的平稳段的共同趋势是显而易见的。因此，可以得出结论，动力学模型对RHAMNOLIPID的降解是有效的。累积耗氧量随着底物浓度的增加（572MG/L对应1109MGSCOD/L，894MG/L对应4700MGSCOD/L）而增加，不同浓度下RHAMNOLIPID的降解耗氧量的峰值同图1的趋势类似，因此，可以推断出表面活性剂面活性剂的降解可分为两步，刚开始的较快的降解和后面较长一段的平稳段，刚开始的峰值由于易降解物质的迅速降解，后面的平稳段是难以降解的物质的平稳降解。由试验和理论得到的动力学参数归纳在表1，值得一提的是实际生物产量和理论生物产量十分吻合，实际测量为059CODBIOMASS/MGSCOD，理论值为060CODBIOMASS/MGSCOD，衰变速率在同样的浓度下从005降至002D1，而系数UMAX的理论值对应所有的反应器都为008H1。图2为900MG/LTRITONX100的好氧降解理论降解曲线和实际曲线，耗氧量曲线表明了有90H的调整期，可能由于微生物对底物的不适应造成的。最终的累积耗氧量与理论吻合很好，实际测量1571MG/L，理论值为159MG/L，如图3所示，实际耗氧量与累积耗氧量非常接近。不同浓度（初始COD为9001500MG/L）的耗氧速率曲线明确显示90100H的适应期。TRITONX100的降解，不考虑浓度的话，首先出现90H的适应期，然后出现峰值后有较长的平缓期，峰值对应易降解的底物，较长的平缓期都类似RHAMNOLIPID的降解类型。虽然RHAMNOLIPID耗氧速率理论曲线与实际曲线吻合很好，但是峰值还是有实际28MG/LH与理论35MG/LH之间的差别。TRITONX100的浓度从900增长到1500，累积耗氧量从170MG/L降至1500MG/L，这表面活性剂明，TRITONX100的浓度超过900可能对微生物生长产生抑制作用，在本研究中，TRITONX100在900MG/L的浓度SCOD，好氧条件下，部分降解（53），事实上有关于TRITONX100生物降解性的不同报道，例如，抑制微生物的生长从而影响蒽的降解，即使是很低的浓度14MG/LCHENETAL,2000，其他一些文献报道在1050MG/L的浓度下可以被生物降解（DOONGANDLEI,2003FRANSKAETAL,2003GONZALEZETAL,2001）。从试验中得到的生物动力学参数归纳到表面活性剂2中，值得一提的是实际的生物增量055MGCODBIOMASS/MGSCOD和理论的051CODBIOMASS/MGSCOD十分吻合，随着TRITONX100从900MG/L增加到1500MG/L，实际的生物增量从07降低到049MGCODBIOMASS/MGSCOD，相同的趋势可以从理论公式计算中得到。900MG/L表面活性剂浓度对应051MGVSS/MGSCOD；1500MG/L表面活性剂浓度对应047MGVSS/MGSCOD。42厌氧和缺氧降解图3表面活性剂明了厌氧条件下RHAMNOLIPID的累积产气量和产期速率。理论产气量为121ML/L，与实际的1182MG/L的产气量吻合。理论的最大产气速率151也与实际得148ML/L相吻合。尽管在脱硫条件下，理论的产气量1143和实际的产气量1091ML/L（图4）吻合，但是计算的最大产气速率27ML/LH，却在实际峰值15小时出现，而在脱氮条件下，理论产气量544ML/L与实际产气量504ML/L（图5），理论产气速率15ML/LH和实际产气速率14ML/LH均可以吻合。RHAMNOLIPID在厌氧，脱硫，脱氮条件下进行降解的生物动力学在表3种进行了总结，从表面活性剂3种可以发现以产气量为基准的理论COD去除率与实测COD去除率之间的差别为10，165和19。尽管这一点自身并不能证明或推翻生物反应中中间产物所起的作用，但它可以清楚地表面活性剂示简化后的810公式充分的描述了RHAMNOLIPID的生物降解。厌氧，脱硫，脱氮的条件下，降解速度同为005D，而三种条件下，固有的最大的底物去除速率分别为03，033和041MGCODMGVSS1H1，这与好氧降解的情况相似，然后厌氧和脱硫条件下的最大增长速率002和004H1，是好氧时平均增长速率的25和50。在同样三种条件下，TRITONX100的降解试验表面活性剂明底物对降解有抑制作用，因为记录的产气速率高于实际的反应器。不同实验得出的累积产气量列于图6，从观察结果可以看出到控制记录前的累积产气量为120ML/L（初始SCOD值为400MG/L），而厌氧条件下测试反应器记录的是20ML/L（初始SCOD值为1000MG/L）；相应的，在脱硫条件下分别为45ML/L（初始SCOD为325MG/L）和9ML/L（初始SCOD为1000MG/L），显然，脱硫条件下，存在底物抑制作用，尽管控制组的累积产气量为4ML/L（初始SCOD为100MG/L），而脱氮条件下得累积产气量为30ML/L（初始SCOD为1000MG/L），这个对比可能表面活性剂示TRITONX100发生了部分降解，但是，观察发现三种条件SCOD都没有减少。在脱氮条件下，TRITONX100的生物降解性方面得出最后结论还需要进一步的研究。应该说明的是，150H之后观察到产气量的增长不能解释为生物降解的开始，而更像是由于人为添加底物的结果，因为没有表面活性剂面活性剂的空白组也产生了同样的结果。5结论RHAMNOLIPID和TRITONX100的生物降解系数成功得以建立。研究发现RHAMNOLIPID在好氧条件下是可以生物降解的，10天后的SCOD的去除效率为74，而在厌氧，脱硫和脱氮的条件下，RHAMNOLIPID可以发生一定程度的生物降解，6天后SCOD的去除率分别为472，342，246；然而，TRITONX100只在好氧条件下是可以生物降解的产量估计为厌氧条件下005MGVSS/MGCOD；到好氧条件下055MGVSS/MGCOD，增长速率分别为002H1，0081。在不同条件下，RHAMNOLIPID的分解系数多数在003005D1的范围内。好氧条件下，TRITONX100的平均产气量为001MGVSS/MGCOD，与RHAMNOLIPID相似，估算TRITONX100最大增长速率为008H1，衰减速率009D1。TRITONX100证实了厌氧条件和脱硫条件下的抑制作用，以及在脱氮条件下微小的降解能力。6参考文献ADEEL,Z,LUTHY,R,1995SORPTIONANDTRANSPORTKINETICSOFANONIONICSURFACTANTTHROUGHANAQUIFERSEDIMENTENVIRONMENTALSCIENCEANDTECHNOLOGY29,10321042ALLEN,CCR,BOYD,DR,HEMPENSTALL,F,LARKIN,MJ,SHARMA,MD,1999CONTRASTINGEFFECTSOFANONIONICSURFACTANTONTHEBIOTRANSFORMATIONOFPOLYCYCLICAROMATICHYDROCARBONSTOCISDIHYDRODIOLSBYSOILBACTERIAAPPLIEDANDENVIRONMENTALMICROBIOLOGY653,13351339AMERICANPUBLICHEALTHASSOCIATION,1998STANDARDMETHODSOFEXAMINATIONOFWATERANDWASTEWATER,20THED1325PPARONSTIEN,BN,ALEXANDER,M,1993EFFECTOFANONIONICSURFACTANTADDEDTOTHESOILSURFACEONTHEBIODEGRADATIONOFAROMATICHYDROCARBONSWITHINTHESOILAPPLIEDMICROBIOLOGYANDBIOTECHNOLOGY39,386397CARRIERE,PPE,MESANIA,FA,1995ENHANCEDBIODEGRADATIONOFCREOSOTECONTAMINATEDSOILWASTEMANAGEMENT158,579583CHANG,BV,SHIUNG,LC,YUAN,SY,2002ANAEROBICBIODEGRADATIONOFPOLYCYCLICAROMATICHYDROCARBONSINSOILCHEMOSPHERE48,717724CHANG,BV,CHANG,SV,YUAN,SY,2003ANAEROBICDEGRADATIONOFPOLYCYCLICAROMATICHYDROCARBONSINSLUDGEADVANCESINENVIRONMENTALRESEARCH7,623628CHEN,P,PICKARD,MA,MURRAY,MR,2000SURFACTANTINHIBITIONOFBACTERIALGROWTHONSOLIDANTHRACENEBIODEGRADATION115,341347DOONG,R,LEI,W,2003SOLUBILIZATIONANDMINERALIZATIONOFPOLYCYCLICAROMATICHYDROCARBONSBYPSEUDOMONASPUTIDAINTHEPRESENCEOFSURFACTANTJOURNALOFHAZARDOUSMATERIALSB96,1527FRANSKA,M,FRANSKI,R,SZYMANSKI,A,LUKASZWESKI,Z,2003ACENTRALFISSIONPATHWAYINALKYLPHENOLEHOXYLATEBIODEGRADATIONWATERRESEARCH37,10051014GONZALEZ,AJ,GONZALEZ,MZ,ROJAS,MG,MONROY,O,2001ANAEROBICDIGESTIONOFANONIONICSURFACTANTINHIBITIONEFFECTANDBIODEGRADATIONWATERSCIENCEANDTECHNOLOGY444,175181GRADYJR,CPL,DANG,JS,HARVEY,DM,JOBBAGY,A,WANG,XL,1989DETERMINATIONOFBIODEGRADATIONKINETICSTHROUGHTHEUSEOFELECTROLYTICRESPIROMETRYWATERSCIENCEANDTECHNOLOGY21,957968HEDLUND,BP,STALEY,JT,2001VIBRIOCYCLOTROPHICUSSPNOV,APOLYCYCLICAROMATICHYDROCARBONPAHDEGRADINGMARINEBACTERIAINTERNATIONALJOURNALOFSYSTEMATICANDEVOLUTIONARYMICROBIOLOGY51,6166HUDAK,AJ,CASSIDY,DP,2004STIMULATINGINSOILRHAMNOLIPIDPRODUCTIONINABIOSLURRYREACTORBYLIMITINGNITROGENBIOTECHNOLOGYANDBIOENGINEERING887,862868JENNINGS,ME,TANNER,RS,2004THEEFFECTOFABACILLUSBIOSURFACTANTONMETHANOGENICHEXADECANEDEGRADATIONBIOREMEDIATIONJOURNAL812,7986KOSARIC,N,2001BIOSURFACTANTSANDTHEIRAPPLICATIONFORSOILBIOREMEDIATIONFOODTECHNOLOGYANDBIOTECHNOLOGY394,295304MAIER,RM,SOBERONCHAVEZ,G,2000PSEUDOMONASAERUGINOSARHAMNOLIPIDSBIOSYNTHESISANDPOTENTIALAPPLICATIONSAPPLIEDMICROBIOLOGYANDBIOTECHNOLOGY54,625633MATASANDAVOL,JC,KARNS,J,TORRENTS,A,2001INFLUENCEOFRHAMNOLIPIDSANDTRITONX100ONTHEBIODEGRADATIONOFTHREEPESTICIDESINAQUEOUSPHASEANDSOILSLURRIESJOURNALOFFOODCHEMISTRY497,32963303METCALFANDEDDY,2002WASTEWATERENGINEERINGTREATMENTANDREUSE,FOURTHEDMETCALFANDEDDYINC,MCGRAWHILLPUBLISHERS,INC,USA1820PPMICHAEL,RL,2001BIOSEPERATIONENGINEERINGPRICIPLES,PRACTICEANDECONOMICSWILEYINTERSCIENCE,NY,CHICHESTERUK,PP1651MILLER,RM,ZHANG,Y,1997MEASUREMENTOFBIOSURFACTANTENHANCEDSOLUBILIZATIONANDBIODEGRADATIONOFHYDROCARBONS,BIOREMEDIATIONP