生物反应器中脱色菌Kingella H固定化特性的研究

固定化细胞生物反应器具有细胞密度大、微生物不易流失、废水处理效率高且污泥量小等特点，近年来成为国内外研究的热点。微生物在载体上的附着固定是生物膜形成的关键步骤，直接影响到反应器的功效及启动运行周期[1，2]。作者在研究KingellaH游离细胞降解结晶紫染料特性的基础上[3]，组建固定化细胞生物反应器，对反应器中脱色菌KingellaH的固定化特性进行研究，并对其在活性炭表面附着固定的动力学进行初步探讨，拟为进一步开发降解实际工业染料废水的生物反应器奠定基础。

1 实验

1.1 菌种

KingellaH，自行分离驯化，经西北大学生命科学院生物实验中心鉴定为金氏金氏杆菌(Kingellakingae)。

1.2 菌悬液的制备

取振荡培养24 h的KingellaH培养液于5000 r· min-1离心10 min，用pH值7.0的磷酸缓冲溶液洗涤、离心，处理3次后定容，重新制成细菌悬浮液。

1.3 固定化反应器的制备

将一定量水洗烘干后的颗粒活性炭(粒径3～5 mm)填充到直径为80 mm、高度为500 mm的玻璃柱中，使其有效高度达到400 mm，有效体积为2.0 L，组建下流式底部曝气间歇式生物反应器[4]，如图1所示。

图1 固定化生物反应器示意图

1.4 附着固定方法

将制备的菌悬液加入到反应器中，在一定条件下，经可逆与不可逆吸附后，微生物在活性炭的表面获得一个相对稳定的生存环境。间隔一定时间取样，在菌悬液最大吸收波长420 nm处测定吸光度值，据已建立的菌体量-吸光度工作曲线换算菌体量[5]。根据溶液中菌体的减少量，计算出单位载体表面积上附着固定的生物量。

2 结果与讨论

2.1 初始菌悬液浓度的影响

在生物膜反应器中，悬浮微生物浓度代表了微生物与载体间的接触频率。一般来说，随着悬浮微生物浓度的增加，微生物与载体间的可能接触几率也随之增大。在自然条件(25℃、pH值7)下，考察KingellaH菌悬液初始浓度对其在活性炭表面吸附固定生物量的影响，结果如图2所示。

图2 初始菌悬液浓度对固定生物量的影响

由图2可见，当初始菌悬液浓度从5.6 mg·L-1增加到111.1 mg·L-1时，KingellaH在载体上的附着固定量也相应增大;之后，随着初始菌悬液浓度的进一步增加，其附着固定量变化不大，并趋于稳定。这表明，KingellaH在载体表面的固定化主要决定于初始菌悬液浓度，同时还受到载体有效表面积的限制。

2.2 液相离子强度的影响

液相离子强度会直接影响悬浮微生物的表面电荷，特别是影响细菌周围的双电层结构。用NaCl调节菌悬液的离子强度为0.01～0.45 mol·L-1，考察液相离子强度对载体上固定生物量的影响，结果如图3所示。

图3 液相离子强度对固定生物量的影响

由图3可见，当液相离子强度增加时，载体上的固定生物量也增大。固定180 min，液相离子强度在0.01～0.20 mol·L-1时，固定生物量的增加比较显著，从7.95 μg·cm-2增加到12.21 μg·cm-2；而当液相离子强度为0.20～0.45 mol·L-1时，固定生物量的增加则非常缓慢，仅从12.21 μg·cm-2增加到13.21 μg·cm-2。

2.3 温度的影响

调节反应器中菌悬液的温度，考察温度对微生物在载体上附着固定量的影响，结果如图4所示。

图4 温度对固定生物量的影响

由图4可见，温度在30～40℃之间，固定化效果最好，温度为35℃时载体上的生物量最大，这与细菌的最适生长温度范围是一致的。因此，创造最适的温度条件以使微生物处于最佳生理状态，有利于其在载体上的吸附固定。

2.4 pH值的影响

在反应器中，pH值的变化也会直接影响微生物的表面电荷特性。用HCl和NaOH调节菌悬液的pH值为4～9，考察pH值对载体上固定生物量的影响，结果如图5所示。

图5 pH值对固定生物量的影响

由图5可知，同一时间pH值为6时活性炭载体上固定生物量最多，固定180 min时达到28.9 μg·cm-2，pH值为7的次之，而在酸性及碱性条件下固定生物量明显下降。

2.5 微生物固定化动力学分析

在pH值为6、温度为35℃、初始菌悬液浓度为111.1 mg·L-1、液相离子强度为0.20 mol·L-1的最佳条件下，于不同时间取样测定活性炭载体上的生物量，结果如图6所示。

图6 Kingella H在活性炭上的积累

由图6可见，在150 min内，载体上的生物量随着时间的延长显著增加，之后便达到饱和，趋于稳定。KingellaH在活性炭表面的附着行为遵循一级可逆反应动力学[6]。其附着固定动力学方程可表示为：

式中:t为时间，min；ɑ为微生物附着总常数，min-1；B为t时刻微生物表面附着量,μg·cm-2;Bmax为可逆附着中微生物最大附着量，μg·cm-2。

经简化后，可表示为：

以1/t对1/B作图，由趋势线的斜率和截距可知Bmax为40 μg·cm-2、ɑ为0.0170 min-1。因此，KingellaH在活性炭载体表面的附着固定动力学方程式为：

3 结论

(1)生物反应器中细菌KingellaH在活性炭载体上固定化的最适条件如下：初始菌悬液浓度为111.1 mg·L-1、液相离子强度为0.20 mol·L-1、温度为35℃、pH值为6,此条件下微生物在载体上附着固定180 min的生物量可达30 μg·cm-2。

参考文献：

[1] 邢国平，陈若宇，孙宝盛，等.缺氧-好氧生物膜反应器挂膜的试验研究[J].新疆环境保护，2001，23(1):25-27.

[2] 王建龙.固定化对微生物生理变化的影响[J].中国生物工程杂志，2003，23(7):62-66.

[3] 谯建军，田萍，姚秉华，等.染料结晶紫降解菌分离及其特性研究[J].环境污染治理技术与设备，2006，7(2)：62-65.

[4] 徐亚明,蒋彬.曝气生物滤池的原理及工艺[J].工业水处理,2002,22(6):1-2.

[5] 朱海燕.生物膜反应器处理印染废水的研究[D].西安：西安理工大学,2006.

[6] 刘雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法污水处理技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2000:16-18.