麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚的特性及动力学研究

摘要

在科技不断发展和工业化进程逐渐加快的过程中，大量工业废水未经处理直接排入水体，产生了严重的水体污染，对水生生物的生存与繁殖造成了巨大的危害。含酚废水是各类废水中最为典型的一类，它来源广泛、对环境危害大、排放量极多，含有多种类型的酚类化合物，其中，苯酚和4-氯酚是最具代表性的一元酚化合物，且是环境研究领域的重点。利用微生物处理上述含酚废水，不仅投资少、处理效率高，而且可以为今后酚类污染物高效生物降解工艺的开发和反应器的设计提供一定的理论指导。
　　本文采用从太原市煤气化第二焦化厂的活性污泥中分离到的麦芽糖假丝酵母为研究对象，考察其降解4-氯酚的最佳条件（接种量5％，温度30℃，pH值6.0，200r/min摇床），在此最佳条件下，菌株降解4-氯酚的能力最大可达350mg/L。通过对4-氯酚降解过程中酶活分析，发现4-氯酚可诱导该菌合成邻苯二酚1，2-双加氧酶，初步推断麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚遵循邻位裂解途径。此外，研究发现，邻苯二酚1，2-双加氧酶在温度30℃、pH为6.0的条件下，比活力最大。应用Haldane模型在0～350mg/L4-氯酚浓度范围内对麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚过程中的细胞生长情况进行研究，经Matlab软件拟合得到方程各参数:μmax=0.252h-1，Ks=33.58mg/L，Ki=147.44mg/L，相关系数R2=0.99，模拟数值与实验数据拟合良好。通过对实验所得4-氯酚比降解速率与细胞比生长速率进行线性回归，得到麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚的底物降解动力学方程:μs=0.834μx+0.045(R2=0.98)。研究苯酚与4-氯酚双底物降解体系中二者之间的相互影响，发现较低浓度苯酚(200～400mg/L)的存在可以促进4-氯酚的降解，而较高浓度的苯酚会产生抑制作用，在300mg/L苯酚浓度下，4-氯酚降解速率达到最大;4-氯酚的存在会抑制苯酚的降解，且随着4-氯酚初始浓度的增大，苯酚降解速率逐渐降低。探究苯酚/4-氯酚双底物降解体系中苯酚对4-氯酚降解影响的机理，发现苯酚对4-氯酚的降解具有促进和抑制两方面的作用:一方面，苯酚可以像葡萄糖一样为菌体提供碳源和能量，相比4-氯酚更容易被细胞利用，使细胞快速繁殖，从而加快对4-氯酚的降解;其次，从代谢途径考虑，4-氯酚的降解与苯酚表现出极大的相似性，其代谢过程中前两个环节所需的酶与苯酚代谢所需的酶相同，因而经苯酚驯化后，细胞内所具有的高效的酶活性可以加速新的培养基中细胞的代谢，使细胞更快地摆脱延滞期进入对数生长期，进而促进4-氯酚的降解;另一方面，苯酚作为有毒化合物会抑制细胞生长，降低细胞代谢活性，使其对4-氯酚的利用能力降低。在苯酚/4-氯酚双底物降解体系中，苯酚的促进和抑制作用同时存在，二者强弱随苯酚浓度的变化而变化，导致了不同的4-氯酚降解速率，在300mg/L苯酚浓度下，两种作用之间达到最佳平衡，4-氯酚的降解速率最高。采用Abuhamed等提出的方程对麦芽糖假丝酵母在不同浓度苯酚/4-氯酚双底物降解体系中的细胞生长动力学进行研究，应用Matlab软件将实验所得的多个细胞比生长速率与其对应的苯酚、4-氯酚浓度进行非线性最小二乘曲面拟合，得到方程中的两个相互抑制参数分别为:I1，2=1.71，I2，1=3.25，相关系数R2=0.93。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 课题研究内容及技术路线

1．3 课题研究的创新点

第二章 文献综述

2．1 含酚废水的来源及危害

2．2 含酚废水的处理方法

2．2．1 物理处理法

2．2．2 化学处理法

2．2．3 生物处理法

2．3 微生物对苯酚和4-氯酚的降解研究

2．3．1 降解苯酚的微生物菌种及其研究现状

2．3．2 降解4-氯酚的微生物菌种及其研究现状

2．4 苯酚和4-氯酚的降解途径

2．4．1 苯酚的降解途径

2．4．2 4-氯酚的降解途径

2．5 细胞生长动力学研究

第三章 实验材料和检测方法

3．1 实验材料

3．1．1 实验药品

3．1．2 仪器设备

3．1．3 菌种与培养基

3．2 检测方法

第四章 麦芽糖假丝酵母降解单底物4-氯酚特性研究

4．1 实验方法

4．1．1 麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚最佳条件研究

4．1．2 麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚特性研究

4．1．3 4-氯酚降解相关酶活研究

4．1．4 温度和初始pH对邻苯二酚1，2-双加氧酶活性的影响研究

4．1．5 麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚的细胞生长与底物降解动力学研究

4．2 动力学模型的建立

4．2．1 细胞生长动力学模型

4．2．2 底物降解动力学模型

4．3 结果与讨论

4．3．1 麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚最佳条件的确定

4．3．2 麦芽糖假丝酵母的4-氯酚降解特性

4．3．3 4-氯酚降解相关酶活测定结果与分析

4．3．4 温度和pH对邻苯二酚1，2-双加氧酶活性的影响

4．3．5 麦芽糖假丝酵母降解4-氯酚的细胞生长动力学与底物降解动力学

4．4 本章小结

第五章 麦芽糖假丝酵母降解双底物苯酚／4-氯酚特性研究

5．1 实验方法

5．1．1 苯酚对4-氯酚降解影响的实验研究

5．1．2 苯酚对4-氯酚降解影响的机理研究

5．1．3 4-氯酚对苯酚降解影响的研究

5．1．4 苯酚／4-氯酚双底物降解体系中细胞生长动力学研究

5．2 细胞生长动力学模型的建立

5．3 结果与讨论

5．3．1 苯酚对4-氯酚降解的影响

5．3．2 苯酚对4-氯酚降解影响的机理

5．3．3 4-氯酚对苯酚降解的影响

5．3．4 苯酚／4-氯酚双底物降解体系中的细胞生长动力学

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文