降解菌和吸附菌的联合作用对混合染料的脱色研究

辛宝平1 杨敏1 庄源益2 张书军1
（1中国科学院生态环境研究中心，北京100085;2南开大学环境科学系，天津300071）

　　含染料废水的色度脱除一直是印染行业和染料工业所面临的重大问题之一。我国作为世界上染料生产和使用的主要国家，该类废水的污染尤为严重。近20年来，先后有多种物理、化学和生物的方法被用于含染料废水的脱色处理。其中生物强化处理技术，即通过筛选或构建具有高效降解或吸附性能的特定微生物菌株用于含染料废水的处理和脱色，因显示出经济、高效、适于大规模废水处理等特点，更是受到人们的极大关注。但这些研究大多为纯培养单菌株对单一染料的脱色作用。而实际的含染料废水中往往含有多种染料，来自生产过程的有色废水中还含有各种染料中间体。另一方面，单菌株也难以完成对废水中所有染料及其中间体的脱色作用。因此考察多菌株的联合作用对混合染料的处理和脱色具有重要的理论和实际意义。本文考察了在单菌株纯培养条件下，溴氨酸降解菌BX26或高效广谱吸附菌GX2对由活性艳蓝KNR和其中间体溴氨酸组成的混合染料的脱色行为；在此基础上，进一步考察了BX26和GX2的联合作用对单溴氨酸、单KNR以及溴氨酸和KNR的混合染料的脱色性能，同时考察了作用过程中两菌株的数量消长和种群变化。

材料和方法

　　1 菌株：溴氨酸降解菌BX26（黄杆菌属）和高效广谱吸附菌GX2（青霉菌属）。
　　2 培养基：可溶性淀粉，10g；NaCl，0.5g；KNO₃，1g；K2HPO4·3H₂O，0.5g；MgSO₄·7H₂O，0.5g；FeCl₃，10mg；H₂O，1000mL；pH7.5±0.1。在考察单一染料的脱色时，培养基中加入单种溴氨酸或KNR染料，浓度为120mg/L；在考察混合染料的脱色时，培养基中同时加入溴氨酸和KNR，浓度均为120mg/L。
　　3 培养方法：BX26种子液为培养36h的BX26培养液；GX2种子液为用50mL无菌水冲洗GX2斜面而制成的孢子悬浊液。两种子液均按5%的接种量接种于含有40mL染料培养液的150mL锥形瓶中，即向每瓶中加入2mL种子液。在考察单菌株的脱色作用时，接入单BX26或单GX2菌；在考察菌株的联合作用时，同时接入BX26和GX2，接入比例分别为2mL BX26和0.1mL GX2、 2mL BX26和2mL GX2、0.1mL BX26和2mL GX2。将接入菌体的染料培养液摇床培养（120rpm，30℃）。
　　4 染料浓度的测定：每24h取样1mL，10000rpm下离心15min后测定上清液吸光度。单一溴氨酸和KNR吸光度的测定分别在其最大可见光区吸收波长485和600nm处进行。混合染料的测定则是分别在485nm和600nm处测定上清液吸光度，并按下式计算混合染料中溴氨酸和KNR的吸光度：AKNR , 600nm = A混合染料, 600nm；A溴氨酸,485nm = A混合染料,485nm - 0.269×AKNR, 600nm。再借助工作曲线计算各染料浓度。
　　5 菌体生长的测定：BX26的生长测定采用涂布平板法，培养基用LB培养基。GX2的生长测定方法如下：脱色实验结束后，3000rpm离心15min收集菌体并用去离子水洗涤6次，置于50℃烘箱中烘至恒重，用电子天平测菌体干重。

结果与讨论

　　1 在溴氨酸降解菌BX26纯培养条件下，混合染料中溴氨酸和KNR的脱色行为：在单一染料和混合染料中，溴氨酸脱色行为大致相同：染料都从24h启动脱色，72h接近完全脱色，这说明KNR的存在对BX26对溴氨酸的降解脱色没有任何影响，BX26可以有效地去除混合染料中的溴氨酸。KNR的脱色行为在单一染料和混合染料中也大致相同：48h内染料浓度没有变化，48h后出现微弱下降，这是由于BX26对KNR的微弱吸附所致。对BX26离心后，确发现BX26菌体表现出KNR的蓝色。
　　2 在高效广谱吸附菌GX2纯培养下，混合染料中溴氨酸和KNR的脱色行为：在单一染料和混合染料下，溴氨酸均表现出较大程度的脱色：96h单一染料中的溴氨酸脱色率为76%，混合染料中的溴氨酸脱色率为66%，前者明显高于后者。这是因为在混合染料中，GX2对溴氨酸和KNR的吸附存在竞争；而且由于KNR较之溴氨酸具有更大的疏水结构，在吸附竞争中占有优势，使得混合染料中溴氨酸的吸附脱色较之单一染料时表现出一定程度的减弱。
　　在单一染料和混合染料中，96h的KNR脱色率均超过95%，表现了GX2对KNR良好的吸附脱色能力。虽然在混合染料中存在着KNR与溴氨酸的吸附竞争，但由于KNR在竞争中占有明显优势，因此溴氨酸的存在对GX2对KNR的吸附影响不大。故混合染料中KNR的吸附脱色率较之单一染料时也只有微弱下降。另外还需指出的是，虽然GX2对混合染料中溴氨酸和KNR的吸附率表现出一定的差异，但混合染料中高达95%的KNR脱色率和66%的溴氨酸脱色率表现了GX2对混合染料卓越的吸附脱色能力和良好的应用前景。
　　3 单菌株纯培养和多菌株混合培养对单一染料的脱色作用比较：混合培养中（接种量为2mL BX26+2mL GX2）溴氨酸的脱色行为与单BX26纯培养大致相同：24h启动脱色，48h脱色率超过85%，72h接近100%。这说明混合培养中溴氨酸的脱色机理在于BX26对它的生物降解。而混合培养中溴氨酸48h高达95%的脱色率显示混合培养较之单BX26培养可能更有利于溴氨酸的降解脱色。相比之下，GX2纯培养对溴氨酸的脱色速率和脱色率都要小的多，96h脱色率仅为76%，这显示降解菌BX26具有比吸附菌GX2更好的溴氨酸脱色能力。
　　对于KNR染料，单BX26纯培养表现出最差的脱色性能，96h脱色率仅为18%，这是由于BX26对KNR只有微弱的吸附之故。而混合培养对KNR也表现出相当低的脱色能力，96h的脱色率仅为37%；GX2纯培养表现出最佳的KNR去除脱色能力，72h脱色率达96%。这是因为在混合培养中，BX26和GX2之间存在着对营养、空间等的竞争，而且由于真菌的生长较细菌慢，GX2在营养空间竞争中处于劣势，导致混合培养中GX2的生长量较之纯培养中要小的多，大约只有纯培养时的1/6~1/8，而BX26对KNR又只有微弱的吸附能力，因此混合培养对KNR的脱色作用由于GX2的生长被严重抑制而大大减弱。
　　虽然混合培养中GX2的生长受到明显抑制，但BX26的生长却受到较大促进。在单一染料溴氨酸培养液中，混合培养的BX26生长量是单BX26培养的2.5倍；在单一染料KNR培养液中，前者是后者的1.5倍。混合培养对BX26生长显著的促进作用显示了BX26与GX2之间不但存在着对营养、空间等的竞争作用，而且还通过某些机制产生进一步的联系和相互作用，有可能是GX2的代谢产物促使了BX26的更大生长。而且混合培养中溴氨酸的更快脱色（48h脱色率达96%），可能也与其中BX26的生长受到促进有关。混合培养中GX2与BX26的相互作用机制是一个十分复杂也很有意思的问题，值得进一步的研究探讨。
　　4 单菌株的纯培养和多菌株的混合培养对混合染料的脱色作用比较：混合培养中溴氨酸在48h就已接近完全脱色，单BX26培养中溴氨酸在48h也达到很高的脱色率，72h接近100%。这说明混合培养和BX26纯培养对混合染料中溴氨酸都具有良好的脱色作用，而且混合培养中溴氨酸的脱色也是由于菌株BX26的降解作用。但在KNR的脱色中，由于BX26只具有微弱的吸附KNR的能力；而在混合培养中，虽然GX2的生长受到严重抑制，但仍有一定的生长量，仍表现出对KNR一定的吸附，因此混合培养中KNR的脱色较之单BX26培养表现出相对较高的水平。
　　混合培养中溴氨酸48h已几乎完全脱色，而单GX2培养中溴氨酸在96h的脱色率仅为66%。这说明混合培养对混合染料中溴氨酸的脱色效果较之单GX2培养要好的多；但由于混合培养中GX2的生长受到很大抑制，因此KNR的脱色和去除较之单GX2培养却要差的多。
　　5 不同接种比例对混合培养对混合染料的脱色作用比较：从以上的实验结果可以看出，如何提高混合培养中吸附菌GX2的生长量是保证多菌株混合体系对KNR有效脱色的关键，因此作者考察了不同接种比例（2mL GX2+2mL BX26，2mL GX2+0.1mL BX26，0.1mL GX2+2mL BX26）对混合染料脱色作用的影响。在3个不同的接种比例下，混合培养对溴氨酸均表现出良好的脱色能力，72h的脱色率都几乎达100%。这是由于混合培养中溴氨酸的脱色是通过BX26的降解作用实现，而BX26对溴氨酸的降解脱色与其菌体生长量关系不大。在3个不同的接种比例中，只有2mL GX2+0.1mL BX26表现出对KNR良好的脱色能力，72h的脱色率达90%。这是由于GX2很高的接种比例导致其在混合培养中具有较好的生长所致。因此在2mL GX2 + 0.1mL BX26接种比例下，多菌株混合体系对混合染料表现出最佳的脱色作用，使溴氨酸和KNR都具有很高的脱色率。但是我们也应该看到，在实验室的不连续培养中，可以通过增加GX2的接种比例来提高其生长量以改进对KNR的脱色效果，但在实际的连续培养体系中，如何保持GX2相对较高的生长量却是一个非常重要而很难解决的问题。可以尝试通过调整培养条件和营养条件来完成。另外，用GX2和BX26的分段处理也许是另一个同时脱除溴氨酸和KNR色度的可行方法，即先在GX2作用下去除全部的KNR色度和部分溴氨酸色度，GX2的处理液再通过BX26的降解脱色去除剩余的溴氨酸色度。

结论

　　KNR的存在不影响BX26对溴氨酸的降解脱色，BX26可有效去除混合染料中的溴氨酸色度；GX2可同时吸附KNR和溴氨酸，但对前者的吸附率要大于后者。混合菌株体系对溴氨酸具有良好的脱色能力；但由于混合培养对GX2生长表现出强烈的抑制作用，导致KNR的脱色效果很差，通过调整GX2和BX26的接种比例，可以提高GX2的生长量，从而改善对KNR的脱色作用，表现出多菌株混合体系在混合染料废水处理和脱色中的优势。