混合菌群FF对活性黑5的脱色降解研究

摘要

近年来，随着染料生产和纺织印染工业的迅速发展，其产生的废水已成为当今最难处理的废水之一，其中偶氮染料又是染料废水中重要的污染物。混合菌群在染料废水处理中具有效果稳定、降解染料彻底等优点，已成为染料废水处理技术研究的热点。因此筛选和研究具有优良脱色性能混合菌群将为染料废水大规模生物处理提供理论基础。本研究利用梯度浓度压力驯化法，从运行良好的印染废水生物处理系统(A+OSA剩余污泥减量系统)二号厌氧反应器活性污泥中筛选驯化出对活性黑5具有良好脱色性能的混合菌群FF，针对其染料脱色性能、脱色机理及菌群结构进行了一系列研究。
　　 研究了混合菌群FF对染料活性黑5的脱色性能及脱色动力学。结果表明，混合菌群FF在活性黑5初始浓度为200 mg/L的脱色培养基中，在35℃、pH8.0的条件下，静置培养12 h，测定其平均脱色率为84.6％，24 h后其最高脱色率可达94.8％，连续培养150代以后其脱色效果依然非常稳定;同时混合菌群FF对活性蓝19，活性艳橙X-GN，活性红239等多种小分子活性染料具有较好脱色性能，静置培养24 h时，脱色率都达到了90.0％以上，说明其对偶氮类活性染料脱色具有一定的普适性。耐盐性结果表明，混合菌群FF最高耐受NaCl浓度为4％，24 h后脱色率仍保持在91.0％。混合菌群FF还具有较强的持久脱色能力，连续脱色6个批次仍能保持57.3％的脱色率。同时研究了混合菌群FF脱色动力学，在活性黑5浓度小于1500 mg/L，FF脱色降解的前12h，其生物脱色反应按照(Monod)方程属于表观零级动力学反应。
　　 研究了培养基中不同碳、氮源以及添加不同外源物对混合菌群FF生长和脱色的影响。在碳源试验中，当碳源为蔗糖时脱色效果最好为82.1％;在氮源试验中，当氮源为蛋白胨时，生长和脱色总体效果最好，脱色率为73.1％。各种碳、氮源试验结果表明混合菌群FF在不同碳氮源条件下的无机盐培养基中生长和脱色效果都不如在牛肉膏蛋白胨培养基中好，这可能与一开始筛选驯化时采用了牛肉膏蛋白胨培养基有关。研究了不同金属离子的影响，结果表明金属离子Zn2+、Sn2+、Co2+等浓度为1 mmol/L时，会严重抑制菌群的生长;金属离子Mn2+、K+、Mg2+、Ca2+在脱色初期(前8 h），对脱色有激活作用，而Sn2+、Co2+对脱色有抑制作用，但在后续的脱色中，各种离子均未对脱色造成明显影响，24 h时脱色率基本相同为91.0％。研究了不同电子受体的影响，发现电子受体柠檬酸铁、硝酸钠能稍微促进菌群生长，氧化铁对菌群生长没有明显影响，而亚硝酸钠、硫代硫酸钠会轻微抑制FF的生长;在脱色前12h，柠檬酸铁、硝酸钠、氧化铁、亚硝酸钠、硫代硫酸钠均能明显降低细菌对活性黑5的脱色速率。考察不同电子供体(主要是辅酶NADH和NADPH)对混合菌群FF生长和脱色的影响，结果表明在NADH和NADPH浓度为0.5 mmol/L时，整个过程中FF的生长与未加辅酶时基本相同，但是脱色率有所下降，48 h后，未加任何辅酶的其脱色率为95.4％，而加了NADPH和NADH的降为90.7％和85.1％。说明在静置培养条件下FF脱色降解活性黑5的过程不依懒于NADH和NADPH。以上结果可为混合菌群应用过程中激活剂的选择方面提供数据基础。
　　 利用LC-MS测定混合菌群作用过程中活性黑5的脱色降解中间产物，初步推测其脱色降解机理。结果表明可能存在两种降解途径，第一种:活性黑5首先在水解的作用下，脱落-OH、-NH3、-SO3等助色基团和Na+，然后-N=N-双键在催化的作用下还原裂解生成芳香胺类化合物，其中两个-N=N-的裂解是逐一进行的，并且有先后顺序，最后，一部分芳香胺在有氧的条件下矿化为小分子代谢物;第二种:活性黑5在厌氧的条件下将-N=N-双键还原裂解，生成芳香胺类化合物。以上降解机理与已报道单菌作用机理有所区别。同时，对不同脱色降解阶段的脱色液，由大肠杆菌平板毒性试验可知，混合菌群FF在脱色降解活性黑5的同时会逐渐降低染料的毒性。
　　 最后，通过变性梯度凝胶电泳(DGGE)、限制性片段长度多态性分析(RFLP)、纯培养16S rDNA鉴定等技术对混合菌群FF的群落结构进行解析。DGGE和RFLP结果表明，混合菌群FF中优势菌群主要为变形菌纲(Gamma-proteobacteria)的变形杆菌属(Proteus)细菌和梭菌纲(Clostridia)的梭菌属(Clostridium)细菌。同时利用纯培养技术从混合菌群FF中随机筛选分离鉴定了21株具有不同脱色效率的单菌株，发现这21株全部为变形菌纲(Gamma-proteobacteria)细菌，并且71.4％属于克雷伯氏菌属(Klebsiella)，28.6％属于变形杆菌属(Proteus)，其中有脱色最佳的两株菌分别为Klebsiella sp.和Proteus sp.。以上结果说明:混合菌群FF中存在可培养的功能性优势菌属如Klebsiella菌属和Proteus菌属细菌，以及不易培养的生长优势菌属如Clostridium。而Proteus菌属在混合菌群FF中既是生长优势菌属又是功能优势菌属，且易于分离培养，利于应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 染料及染料废水

1．3 国内外偶氮染料废水处理方法

1．4 偶氮染料的微生物处理

1．5 偶氮染料废水处理中微生物分子生态学研究

1．6 研究意义和研究内容

2 混合菌群FF对染料的脱色性能及脱色动力学

2．1 引言

2．2 试验材料

2．3 试验方法

2．4 结果讨论

2．4．1 脱色菌的筛选

2．4．2 形态学观察

2．4．3 混合菌群FF对染料活性黑5的脱色性能

2．4．4 混合菌群FF脱色动力学研究

2．5 本章小结

3 不同碳氮源及添加不同外源物对FF生长和脱色的影响

3．1 引言

3．2 试验材料

3．3 试验方法

3．4 结果讨论

3．4．1 不同碳氮源对FF生长和脱色的影响

3．4．2 添加不同外源物对FF生长和脱色的影响

3．5 本章小结

4 混合菌群FF对活性黑5的脱色降解机理

4．1 引言

4．2 试验材料

4．3 试验方法

4．4 结果讨论

4．4．1 紫外-可见光谱分析

4．4．2 脱色降解中间产物研究

4．4．3 混合菌群FF对活性黑5脱色降解途径研究

4．4．4 活性黑5脱色产物毒性研究

4．5 本章小结

5 混合菌群FF群落结构解析

5．1 引言

5．2 试验材料

5．3 试验方法

5．4 结果讨论

5．4．1 混合菌群FF基因组总DNA提取及16S rDNA扩增

5．4．2 DGGE分析

5．4．3 RFLP分析

5．4．4 单菌的16S rDNA鉴定

5．4．5 DGGE、RFLP和单菌的16S rDNA鉴定结果比较

5．5 本章小结

6 结论

6．1 主要研究结论

6．2 存在问题

参考文献

攻读硕士学位期间主要学术成果

致谢