固定化菌种降解丁二腈的研究

杨征¹，徐德强²，张亚雷¹，赵建夫¹
（1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092；2.复旦大学生命科学学院，上海200433）

　　摘　要：分别用海藻酸钠与聚乙烯醇为载体，对前期研究中获得的丁二腈高效降解菌进行包埋固定。研究了不同载体包埋固定的菌种对废水中丁二腈的降解效果。结果表明，采用海藻酸钠包埋固定的菌种在30℃，pH＝6.5，摇床转速为250r／min的条件下，当菌的质量浓度为1g／L和2g／L时，丁二腈的降解率均达80％以上。
　　关键词：固定化高效菌种；丁二腈；生物降解；海藻酸钠；聚乙烯醇
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）06－0001－03

A Study on Degradation of Succinonitrile with Immobilized Cells
YANG Zheng¹, XU De-qiang²,ZHANG Ya-lei¹，ZHAO Jian-fu¹
（1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University,Shanghai 200092, China;2. School of Life Science, Fudan University, Shanghai 200433, China)

　　Abstracts: Sodium alginate and polyvinyl alcohol were separately used as carriers to entrap and immobilize the high-efficiency degradating bacterium of succinonitrile. Results of degradation of succinonitrile with the bac-terum entrapped and immobilized by different carriers were studied. The results showed that when the bacterium entrapped and immobilized with sodium alginate was used and the concentration of the bacterium was 1 g/L and 2g/L at 30℃ with pH=6.5 and the rotating speed of shaker being 250r/min, the degradation rate of succinonitrile was over 80%.
　　Key words: immobilized high-efficiency bacterium; succinonitrile; biodegradation; sodium alginate; polyvinyl alcohol

　　固定化酶技术和固定化细胞技术，是上世纪60年代后期国际上迅速发展起来的一项新兴的生物技术^[1]，它具有细胞密度高，反应速度快，微生物流失少，产物分离容易，反应过程控制较容易等优点^[2]。目前，该技术已从最初的一些发酵产品的生产转向废水处理方面的应用探索^[3]。
　　丁二腈是一种毒性大，对人类和动植物有着巨大潜在危害的难降解有机化合物。是二步法腈给生产废水中的主要污染物之一。针对上海某石化腈纶厂废水进行的色质联机分析表明，此废水中丁二腈的含量较高^[4]，质量分数为21.24％，相当于质量浓度为38.13mg/L的TOC。为了使此废水中的丁二腈可被更有效的降解，我们选用前期研究中获得的高效丁二腈降解菌，并以不同载体进行包埋固定，进行了固定化高效菌种降解丁二腈的研究^[5-6]。

1 试验材料与方法

1.1 供试底物与包埋材料
　　丁二腈，海藻酸钠，聚乙烯醇（PVA）1750±50（聚合度）。
1.2 丁二腈高效降解菌种
　　选用前期研究中分离筛选出的一株丁二腈高效降解菌。它取自腈纶厂塔式生物滤池中的生物膜，经富集分离纯化后所得。经鉴定属于假单胞菌（Pseudomonassp.），菌种编号为J－13－1。
1.3 试验用废水
　　采自上海某石化腈纶厂，其丁二腈的质量浓度为30mg／L，pH值为6.5。为了保证供给高效菌充足的营养，以及模拟实际生产中最大的丁二腈浓度，试验用水是用实际生产废水配制的，其丁二腈的质量浓度分别为30mg／L，3000mg／L和5000mg／L。
1.4 菌体固定化包埋颗粒的制备
　　①将试验菌种经液体振荡培养后，通过3次离心洗涤，得到湿菌体，然后将湿菌体与4％的海藻酸钠胶液以1：40（菌体湿重g：胶液体积mL，简称菌胶比）的比例充分混匀，滴入4℃，4％的CaCl2。溶液中，将形成的凝胶颗粒浸在4℃，4％的CaCl₂。溶液中放入冰箱中，于4℃静置胶连24h，最终得到直径为3－4mm的固定化颗粒（IMG）^[7]。
　　②与上述步骤一致，将得到的湿菌体与10％的聚乙烯醇胶液以1:40的菌胶比充分混合均匀后，滴入饱和的硼酸溶液中，室温下在饱和硼酸溶液中胶连24h。结果发现，大部分凝胶颗粒粘附在一起，在后期的试验中更是出现溶涨、破损变形。
　　③在原有的10％的聚乙烯醇胶液中加入1％的海藻酸钠胶液，其他步骤均同上^[8]。此法不但可获得直径为3－4mm的包埋颗粒，且其机械强度也较方法②有较大改观，但在后期的摇床试验中还是有溶涨与破损现象出现。
1.5 降解试验方法
　　在补加有适量丁二腈的30mL某石化腈纶厂废水（丁二腈的质量浓度为3000mg／L）的250mL三角瓶中分别加入海藻酸钠包埋颗粒、PVA包埋颗粒和改良后的PVA包埋颗粒，使溶液菌体的质量浓度为2.0g／L（湿菌重／溶液体积）。而后将上述三角瓶置于摇床上振荡培养（转速250r／min，pH值为6.5，温度30℃），并定时取样，分析各样品中的丁二腈含量。
　　再以上海某石化腈纶厂废水为基础液，配制丁二腈的质量浓度分别为30mg/L（基础液中了二腈的质量浓度），3000mg／L和5000mg／L的试验液（PH＝6.5），在每个250mL三角瓶中加入30mL上述试验液，并分别称取海藻酸钠包埋颗粒，菌的投加量分别为1.0g／L和2.0g／L，投入到上述瓶中，进行振荡培养（转速250r／min，温度30℃），其间定时取样，分析各样品中的丁二腈含量。
　　最后将上述经反应24h的海藻酸钠包埋颗粒取出后，用蒸馏水洗涤几次，再投入新的上述试验液（丁二腈的质量浓度为3000mg/L）中，重复上述试验。

2 结果与讨论

2.1 不同我体包埋颗粒降解丁二腈的结果
　　由于PVA包埋颗粒在振荡培养处理废水过程中产生的溶涨及破损变形现象，故就机械强度而言PVA包埋颗粒是不太适合单独作包埋载体的。本文只对海藻酸钠包埋颗粒与改良后的PVA包埋颗粒进行丁二腈降解研究，其中了二腈的质量浓度3000mg／L，菌体的投加量为2.0g／L，转速为250r／min，pH值为6.5，温度为30T。结果见图1。

　　图1结果表明，反应自开始到结束的24h内，用海藻酸钠包埋的丁二腈降解菌颗粒在20h时其丁二腈降解率即达100％，而改良后的PVA包埋颗粒仅达70％，从而表明前者的降解速率要明显优于后者。其主要原因是海藻酸钠较聚乙烯醇的传质性能要好。同时，改良后的聚乙烯醇包埋颗粒在试验的后期也出现了一定的溶涨、破损变形现象，表明海藻酸钠包埋颗粒的机械强度优于改良后的聚乙烯醇包埋颗粒。
2.2 海藻酸钠包埋颗粒对不同质量浓度丁二腈的降解效果
　　在30℃，pH=6.5，转速为250r／min的条件下，海藻酸钠包埋颗粒对不同质量浓度的丁二腈的降解结果，见表1。

表1 海藻酸钠包埋颗粒对不同质量浓度的丁二腈的降解结果 ρ（丁二腈）/（mg/L^-1) 菌种投加量/（g.L^-1) 不同降解时间丁二腈去除率/% 5h 10h 15h 20h 24h 3000 1 33.35 53.09 71.33 77.57 82.85 3000 2 56.08 76.92 82.23 100 100 5000 1 23.72 43.23 49.50 72.16 82.76 5000 2 38.35 67.34 86.15 100 100 30 1 30.50 53.59 100 100 100

　　从表1中可以看出海藻酸钠包埋菌种处理丁二腈废水有很好的效果，尽管菌的投加量与丁二腈的质量浓度各不相同，但经过24h，丁二腈的降解率均在80％以上，尤其是当菌的投加量为2g／L时，在20h后丁二腈降解率均为100％。
2.3 海藻酸钠包埋颗粒重复使用的效果
　　为检验包埋颗粒的可重复使用的特性，在经过24h的反应后将包埋颗粒取出并重新进行了二腈降解试验，试验水样中丁二腈的质量浓度为3000mg／L，pH值为6.5，温度30℃，转速为250r／min。结果见表2。

表2 海藻酸钠包埋颗粒降解丁二腈的重复使用研究结果 菌种投加量/（g.L-1) 不同降解时间丁二腈去除率/% 　 15h 24h 1 66.34 73.09 2 75.76 100

　　 由表2可以看出了二腈的降解率和前述试验的情况基本一致，从而也表明海藻酸钠包埋颗粒有很好的重复利用的性能。经过48h的摇瓶试验后，将包埋颗粒从瓶中取出，经检验后其机械强度未发生变化。

3 结论

　　 ①用聚乙烯醇进行包埋必须经过改良，否则其机械强度不能满足使用的要求，本研究将改良后的聚乙烯醇包埋颗粒与海藻酸钠包埋颗粒进行了对比，结果表明，无论从机械强度还是从反应速度的角度考虑，海藻酸钠包埋颗粒都优于改良后的聚乙
烯醇包埋颗粒。
　　 ②丁二腈的质量浓度分别为30mg／L，3000mg／L，5000mg/L时，分别用菌投加量为1g／L和2g／L，经过24h的振荡培养，其丁二腈降解率在80％以上，其中当菌投加量为2g／L时，经过20h，丁二腈降解率均为100％。
　　 ③采用海藻酸钠包地颗粒对丁二腈进行降解的重复使用的研究结果表明，经过24h的重复实验，丁二腈的降解率和前一周朗的结果基本一致。这一结果说明，用海藻酸钠进行包埋，其生物降解的效果是稳定的，其重复利用性能较佳。
　　 ④研究结果也表明前期筛选出的丁二腈高效降解菌J－13－1确实是一株对丁二腈有较强降解作用的菌株，可以进一步进行研究与利用。

参考文献：

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　　[2]黄霞，俞毓馨，王蕾 固定化细胞技术在废水处理中的应用［J] 环境科学，1993，14（1）：41--48
　　[3]孙艳，谭立扬. 用于生物降解刚酚毒物的固定化细胞性能改进的研究[J].环境科学研究.1998，11（1）：59－62.
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　　[5]O′Reilly，K T.Degradation of pentachlorophenol by polyureth and immobilized flavobaterium cells[J]. Appl Environ Microbiol, 1991,55(9):2113-2113.
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　　[7]翟晓萌，李道棠 海藻酸钠固定化包埋微生物处理有机微污染源水[J] 环境科学，2000，21（6）：80－84
　 ［8］全向春，韩力平，王建龙，等.固定化皮氏伯克霍而德氏菌降解喹琳的研究[J] 环境科学，2000，21（3）；74－76.

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　　作者简介：杨征（1978－），男，江西万载人，硕士研究生，电话（021）65981110。