糙皮侧耳降解碱木素的动力学研究

赵丽红，孙洪军

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

糙皮侧耳降解碱木素的动力学研究

赵丽红，孙洪军

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

对糙皮侧耳B1(白腐真菌的一种)降解碱木素的动力学进行了研究。基于Logistic方程，建立了糙皮侧耳B1在纯培养条件和碱木素存在条件下的生长动力学模型。动力学模型参数分别为0.94 d－1和0.90 d－1。该模型能够较好地模拟体系中生物量的变化，平均相对误差分别为3.2%和3.4%。糙皮侧耳B1对低浓度碱木素的降解存在底物抑制现象，建立了底物抑制动力学模型，碱木素的最大比降解速率为1.46 h－1，底物饱和常数为36.7mg/L，底物抑制常数为308.30 mg/L。

动力学;模型;碱木素;糙皮侧耳;白腐真菌;降解

对微生物的生长和增殖、底物消耗、产物生成等的动力学特征进行研究有助于加深对微生物生长行为的认识，可用于指导生产实践。在描述微生物生长的相关数学模型中，最经典的是Verhulst－Pearl的 Logistic方程、M ichelis－Menten方程和Monod方程［1］。近年来，生物学领域的各类数学模型纷纷出现，尤其是在环境生物学领域所提出的一些共代谢模型大大发展了上述经典模型的理性内涵和专业属性［2－4］。关于白腐真菌对环境污染物的降解动力学已有不少研究［5－7］，但关于糙皮侧耳(白腐真菌的一种)对碱木素的降解动力学研究较少。

本工作对糙皮侧耳的生长动力学和其对碱木素的降解动力学进行了分析探讨，从理论上确定了糙皮侧耳降解碱木素的生化反应模型，为进一步放大实验和工业化生产提供了依据。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

碱木素:利用碱法制浆废液经最新生产工艺喷雾干燥而成。

糙皮侧耳(Pleurotus ostreatus)B1:购自辽宁省大连市菌种研究所，由本实验室转接保存。

液体培养基配方(ρ，g/L):葡萄糖 20，(NH4)2SO40.5，KH2PO42，MgSO4·7H2O 0.5，维生素B10.02。

鼓泡塔反应器(BCR):有机玻璃制成的圆柱体，内径 80 mm，高 800 mm，实际工作容积约3 L［8－9］。

1.2 实验方法

菌种培养:将菌种由斜面接种到液体培养基中，在30℃下以150 r/min的转速摇床培养7 d。以5 000 r/m in的转速离心，倾去上清液，用无菌水洗涤3次，制成菌悬液作为降解碱木素实验用的液体菌种。

碱木素的降解:在BCR中加入碱木素和菌体，每间隔一定时间取样测定残留碱木素浓度。

1.3 分析方法

采用干重法测定菌体质量浓度［8］;采用吸光度法测定碱木素溶液在280 nm波长下的吸光度，计算碱木素质量浓度［8］。

2 结果与讨论

2.1 菌体生长动力学

本工作选用Logistic方程作为菌体生长动力学模型［10－11］，见式(1)。

式中:ρt为t时刻的菌体质量浓度，g/L;ρm为最大菌体质量浓度，g/L;k为动力学模型参数，d－1;t为反应时间，d。

对式(1)进行积分得到ρt与t的函数，见式(2)。

式中，ρ0为初始菌体质量浓度，g/L。

将式(2)转化为线性方程，见式(3)。

根据实验数据以ln［ρt/(ρm－ρt)］对t作图，得到在纯培养条件下的k值为0.94 d－1;在碱木素存在条件下k值为0.90 d－1。

由此得到菌体在纯培养条件和碱木素存在条件下的生长动力学方程，分别见式(4)和式(5)。

菌体在纯培养条件和碱木素存在条件下的生长动力学曲线分别见图1和图2。由图1和图2可见，动力学曲线较好地模拟了体系内生物量随反应时间的变化情况。菌体在纯培养条件和碱木素存在条件下生长的实验数据与动力学曲线最大相对误差分别为6.5%和8.5%，平均相对误差分别为3.2%和3.4%。在纯培养条件和碱木素存在条件下的最大菌体质量浓度分别为1.15 g/L和0.90 g/L，由此可见，在碱木素存在条件下糙皮侧耳B1的生物量有所减少，生长速率降低。

2.2 碱木素降解动力学

碱木素质量浓度与比降解速率的关系见图3。

图3 碱木素质量浓度与比降解速率的关系

由图3可见:随碱木素初始质量浓度的增加，比降解速率先增大后减小，表明存在底物抑制现象。

碱木素降解动力学方程见式(6)。

Andrews提出的非竞争性底物抑制模型［12－13］见式(7)。

式中:v为碱木素比降解速率，h－1;vm为碱木素的最大比降解速率，h－1;ρj为碱木素质量浓度，mg/L; Ks为底物饱和常数，mg/L;Ki为底物抑制常数，mg/L。

将实验数据以式(7)为模型进行非线性回归后得到各模型参数。糙皮侧耳B1降解碱木素的底物抑制速率方程见式(8)。

2.3 糙皮侧耳B1对高浓度碱木素的降解

在菌体质量浓度为3.0 g/L、反应时间为4 d的条件下，糙皮侧耳B1对高初始质量浓度碱木素的降解情况见图4。由图4可见:随碱木素初始质量浓度的升高，降解率逐渐下降;当碱木素初始质量浓度为3 000 mg/L时，降解率为55%。由此可见，糙皮侧耳B1可以降解高浓度碱木素，在实际生产中，对于高浓度的碱木素可不经稀释而直接使用糙皮侧耳B1对其进行快速有效的预处理。

3 结论

a)采用糙皮侧耳B1降解碱木素。建立了糙皮侧耳B1在纯培养条件和碱木素存在条件下的生长动力学方程，分别为ρt=0.01e0.94t/［1－0.008 7(1－e0.94t)］和ρt=0.01e0.90t/［1－0.011 1(1－e0.90t)］，该模型较好地模拟了体系中生物量的变化，平均相对误差分别为3.2%和3.4%。

b)糙皮侧耳B1对低浓度碱木素的降解存在底物抑制现象，其底物抑制动力学方程为v=1.46/ (1+36.7/ρj+ρj/308.30)，实验数据与该动力学方程能较好地拟合，为进一步放大实验和工业化生产提供了参考依据。

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Kinetics Study on Degradation of Alkali Lignin by Pleurotus Ostreatus

Zhao Lihong，Sun Hongjun

(College of Civil Engineering and Architecture，Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning 121001，China)

The degradation kinetics of alkali lignin by Pleurotus ostreatus B1(a kind of white-rot fungi)was studied.The grow th kinetic model of Pleurotus ostreatus under the conditions of pure cultivation and cultivation with alkali lignin existence was established based on Logistic equation.The parameters of the model are 0.94 d－1and 0.90 d－1.The changes of biomass in the system can be preferably simulated with thismodel，and the average relative errors are 3.2%and 3.4%respectively.The substrate has an inhibition effect on the degradation of low concentration alkali lignin by Pleurotus ostreatus B1.The substrate inhibition kinetic modelwas obtained.Themaximum specific degradation rate of alkali lignin is 1.46 h－1，the substrate saturation constant is 36.7 mg/L，and the substrate inhibition constant is 308.30 mg/L.

kinetics;model;alkali lignin;Pleurotus ostreatus;white-rot fungi;degradation

X703.1

A

1006－1878(2011)03－0202－04

2010－10－24;

2010－12－21。

赵丽红(1974—)，女，辽宁省锦州市人，博士，副教授，研究方向为环境污染治理。电话 18904162944，电邮zhaolh_2003@sina.com。

住房和城乡建设部2010年科学技术项目计划研究开发项目(2010－K7－8)。

(编辑 王 馨)