蛋白核小球藻和斜生栅藻对偶氮染料的降解作用

蛋白核小球藻和斜生栅藻对偶氮染料的降解作用

1957年，oswald等人提出了该项目，并在全国范围内广泛传播。除了去除金属和营养盐外，藻类还可以分解各种有机物质，如农业、烷烃、淀粉、酚类和二甲苯二甲酸酯。刘厚田等人通过共生系统和海藻酸钠氮染色材料的研究表明，藻类不仅可以通过光合作用为好氧菌提供氧气，还可以单独分解偶氮染色材料。近年来,定量结构—生物降解性相关关系(QuantitativeStructure-BiodegradabilityRelation-ship,QSBR)研究是环境科学研究的热点之一,偶氮染料结构—脱色关系的定性研究表明,染料的生物降解性与芳环上取代基的性质、数目、位置和染料的分子量相关.戴树桂等进行了细菌降解染料的QSBR研究,但关于藻类降解偶氮染料的QSBR研究尚未见报道.本文研究了普通小球藻、蛋白核小球藻、斜生栅藻对偶氮染料的降解作用;并对不同结构单偶氮染料的生物降解进行了QSBR研究.1染料、红色藻料普通小球藻(Chlorellavulgaris)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)均由中国科学院水生生物研究所藻种库提供.染料直接深棕NM、酸性红B、酸性橙II、酸性品红6B、酸性红3R、阳离子红GTL、直接耐晒黄5GL、酸性金黄G、酸性嫩黄2G、酸性大红BS、活性艳红X-3B均为工业品,未做进一步纯化.1.2水hba人工培养模式纯种普通小球藻、蛋白核小球藻、斜生栅藻在无菌条件下转移至水生4号(HB4)人工培养液中,培养至对数生长期进一步扩大培养.培养条件为:温度25±1℃,光强4500Lux,12h光照,12h黑暗,光照期间每3h振荡充气一次.1.3结构参数的确定以直接深棕NM(5(40mg/L)为研究对象,加入藻的培养液中,藻的初始密度46(104个/mL,其它条件同上.记录藻的生长,并测定染料吸光度的变化,计算脱色率,实验进行8天.分别以无N、无C及不同pH值培养液重复上述实验,以优化降解条件.按上述条件,测定蛋白核小球藻对10种不同结构单偶氮染料(10mg/L)的脱色率.选择染料分子量和偶氮键最低未占据轨道能量(PM3法)作为QSBR研究的结构参数.2结果与讨论2.13藻体生长曲线考虑到直接深棕NM对斜生栅藻生长的48h-EC50为8.37mg/L,选择在5mg/L直接深棕NM中逐步驯化3种藻,逐步成倍提高染料的浓度,以驯化藻对染料的耐受力.图1为3种藻在20mg/L直接深棕NM中的生长曲线,从图1可看出,普通小球藻和蛋白核小球藻在染料中生长较好,而斜生栅藻的生长明显受到影响.逐步驯化提高了藻类对染料的耐受力,如不经过驯化,斜生栅藻在20mg/L直接深棕NM中几乎不能生长.进一步驯化到染料浓度为40mg/L,3种藻不能生长,在5天后陆续死亡.3种藻对直接深棕NM均有脱色作用,对5mg/L直接深棕NM作用10天,斜生栅藻脱色率为12.4%,普通小球藻和蛋白核小球藻为21.6%;而对20mg/L直接深棕NM,斜生栅藻的脱色率则大大下降,几乎无作用,普通小球藻的脱色率下降到11.0%,蛋白核小球藻的脱色率下降为17.2%.所以蛋白核小球藻为最佳藻种.但总的来看脱色率偏低.2.2藻类在无n或无c环境中的生长为了考察藻类对染料的利用并进一步提高脱色率,特配制不含N和C的营养液.3种藻在20mg/L直接深棕NM的正常、无N、无C培养液中的生长和脱色率见表1.从表1可以看出,3种藻在3种培养液中均能生长,表明藻类能利用偶氮染料作为其生长的唯一N、C源.正常培养液中藻类生长较好,明显优于在无N或无C环境中的生长,这是由于无N或无C培养液中养料不足,藻类摄取不到足够的营养;另外藻类对偶氮染料的降解第一产物芳香胺比偶氮染料本身毒性更大,所以脱色的同时增加了染料对藻类的毒性.在正常培养液中,藻类对染料有一定的降解,但程度较小.在无N或无C培养液中,降解率大大提高,表明藻类对染料的脱色作用与藻类的生理代谢过程有关.3种环境的脱色率大小顺序为:无N>无C>正常.由脱色率和生长速率可以确定蛋白核小球藻为优势藻种.藻类对偶氮染料的降解作用,还受温度、光强、pH值等其它环境条件的影响.考虑到光强对脱色率的影响不大,而实际废水的酸度变化较大,实验仅研究了pH值对藻类生长及染料脱色的影响(图2).由图2可以看出,酸性和碱性环境不利于藻类的生长,在中性环境中藻类生长旺盛.藻类对染料的脱色率在不同pH值下具有相同的变化趋势,在中性环境中脱色率高,而在酸性和碱性条件下脱色率较低.可见藻类对染料的脱色率与藻类的生长代谢密切相关.2.3结构参数对脱色率的影响蛋白核小球藻对10种不同结构单偶氮染料的脱色率及染料的分子量和偶氮键最低未占据轨道能量(Elumo)列于表2.不同结构的染料生物降解性相差很大,脱色率为9.1%～89.8%.本文所用染料都是单偶氮键,但其两侧结构较复杂,有不同取代的苯环和萘环及杂环,有的还含有N正离子.本文选择了两种结构参数?偶氮键最低未占据轨道能量Elumo和染料分子量M,对脱色率和这两种结构参数进行单因素QSBR研究,结果如下:Y(脱色率)=84.9+32.9Elumor=0.726n=9t=2.796Y(脱色率)=12.5+0.07Mr=0.220n=10t=0.638脱色率与最低未占据空轨道能量之间具有显著相关性(t>t0.05=2.365),且分子的最低未占据轨道能量越负,脱色率就越低.而脱色率与染料的分子量之间不存在相关性.偶氮染料的降解机理已被证明为在藻体内的偶氮还原酶作用下产生了芳香胺,芳香胺再进一步被降解.所以染料首先需从水体中富集到藻体内,然后在藻体内酶的作用下发生还原反应,所以除了反应中心的偶氮键电性起决定作用外,其它因素如染料的疏水性及藻类的代谢活性也会影响染料的脱色率,所以单因素QSBR研究不会得出非常显著(t>t0.01)的相关性.3偶氮染料降解能力的比较3.1藻类能够利用偶氮染料作为自身生长的C、N源,从而使染料脱色.在无C或无N培养液中,藻类的脱色能力较强,但藻类的生长状况比在正常培养液中差.3.2通过对普通小球藻、蛋白核小球藻、斜生栅藻降解能力的比较,发现蛋白核小球藻生长最好,脱色率最高,因而称为优势藻种.3.3蛋白核小球藻的生长及对染料的脱色率受pH值的影响显著,在中性环境