LAS共代谢降解菌的降解动力学研究

季瑞武，周　利，冉治霖，朱　佳

(1. 青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033；2. 深圳信息职业技术学院 交通运输与环境学院，深圳 518172；3. 深圳职业技术学院建筑与环境工程学院，深圳 518055)



LAS共代谢降解菌的降解动力学研究

季瑞武1，周利1，冉治霖2，朱佳3

(1. 青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033；2. 深圳信息职业技术学院 交通运输与环境学院，深圳 518172；3. 深圳职业技术学院建筑与环境工程学院，深圳 518055)

研究2株直链烷基苯磺酸钠(LAS)共代谢降解菌的降解动力学.分别对2株直链烷基苯磺酸钠共代谢降解菌克雷伯氏菌属(Klebsiella sp.)和肠杆菌属(Enterobacter sp.)进行研究，通过正交实验考察了其最佳降解条件，并进行降解动力学研究.当温度为30 ℃，pH值为7.5，装液量为50 mL时，最适合两株细菌降解LAS.其中菌株L-2在生长基质葡萄糖质量浓度为500 mg/L时，对50 mg/LLAS降解率为94.2%；菌株L-15在生长基质葡萄糖质量浓度为1 000 mg/L时，对50 mg/LLAS降解率为92.2%；当LAS质量浓度在25～100 mg/L范围内，2菌株降解反应符合一级动力学特征.本研究可为全基质生活污水处理LAS废水提供一定的理论依据.

LAS；生物降解；共代谢；动力学

Linear alkylbenzene sulfonates (LAS)，它是一种阴离子表面活性剂，由于是合成洗涤剂的主要成分，在国内外已得到广泛应用[1-2].研究发现，好氧条件下LAS易生物降解，但经过较长降解时间后，仍然有20%～50%的残留[3].废水中的LAS会给环境带来巨大危害，它能够影响酶的活性，溶解微生物和无脊椎动物的生物膜，破坏蛋白质结构，危害动、植物的健康[4-7].因此，如何高效率地去除废水中LAS成为研究的热点.目前处理LAS的方法主要有物理分离、催化氧化和生物处理.其中生物处理法处理规模大，设备简单，成本低，应用广泛，是研究最多的一种方法[8-9].

本实验利用已经分离鉴定的2株细菌[10]，通过正交实验，确定其最佳降解条件，并对不同质量浓度下的LAS降解进行了研究，分析了降解动力学特征，为全基质生活污水处理LAS提供一定的理论基础.

1　材料与方法

1.1菌种来源

以深圳某污水厂曝气池和二沉池污泥为菌源，分离得到了2株通过共代谢机制降解LAS的细菌，经过鉴定为克雷伯氏菌属(Klebsiella sp.)和肠杆菌属(Enterobacter sp.).

1.2培养基

无机盐培养基成分(g/L)：MgSO4·7H2O 0.14，Ka2HPO40.43，KaCl0.06，FeSO4·7H2O 0.005，NH4Cl 0.75，LAS 0.05.蒸馏水定容1 L，调节pH=7.2.

1.3实验仪器

全温振荡器(HZQ-FX，哈尔滨东联电子技术有限公司)；高压灭菌锅(HVE-50，日本 Hirayama)、正置荧光显微镜(BX51，日本奥林巴斯)、微量离心机(MIKRO 200R，德国Hettich)、荧光分光光度计(F-7000, 日本日立)、紫外分光光度计(UV-7504，上海欣茂仪器有限公司)、电子天平(BS-124S，德国赛多利斯)、恒温培养箱(MIR-254，日本三洋).

1.4实验方法

1.4.1LAS降解性能的影响因素实验

以无机盐培养基为基础，分别改变温度、pH、装液量、葡萄糖质量浓度，以1%接菌量接种培养基，将250 mL锥形瓶在转速为150 r/min摇床上振荡培养5 d，检测残留LAS质量浓度，计算菌株对LAS降解率.

1.4.2菌株降解动力学

在最优降解条件下，用Monod方程拟合菌株L-2与L-15对LAS降解速率.

1.4.3LAS质量浓度测定[11]

取1.5 mL菌体浓度OD600为1.0的培养液放入离心管中，8 000 r/min离心10 min后取上清液1 mL加入25mL比色管，取pH为10.6的氨-氯化铵缓冲溶液5 mL加入比色管中，添加去离子水至25 mL.以试剂空白为参比，在激发波长λex=230 nm，发射波长λem=290 nm处，测得荧光强度F，根据F值由标准曲线求得LAS质量浓度，计算LAS降解率.降解率计算公式为：

降解率=(C3-C2)/C1×100%

(1)

其中:C3为空白组培养一定时间后培养基中LAS质量浓度；C2为试验组培养一段时间后培养液中LAS质量浓度；C1为初始培养时LAS质量浓度.

2　结果分析

2.1LAS降解性能影响因素的正交实验

以温度(A)、pH(B)、装液量(C)、葡萄糖质量浓度(D)为因素进行正交试验，各因素均取3个水平，因素水平表见表1.

正交试验分析表2,3反映了细菌L-2与L-15在各因素水平下120 h后对LAS的降解率.

表1　正交试验各因素及其水平表

表2　L-2正交试验分析表

表3　L-15正交试验分析表

对于因素A，1、2、3号试验反映了A1对试验影响，4、5、6号试验反映了A2的影响，7、8、9号试验反映了A3的影响.A1、A2、A3对LAS降解率影响大小可以由kA1、kA2、kA3的值判断.由于kA1>kA2>kA3,所以A1为A因素的优水平.根据同样方法可知，B3、C1、D2为L-2细菌降解优水平，B3、C1、D3为L-15细菌降解优水平.对于L-2细菌，A1B3C1D2为最优水平组合，即温度为30 ℃，pH值为7.5，装液量为50 mL，葡萄糖质量浓度为500 mg/L；对于L-15细菌，A1B3C1D3为最优水平组合，即温度为30 ℃，pH值为7.5，装液量为50 mL，葡萄糖质量浓度为1 000 mg/L.极差R的大小可以判断各因素对降解率影响主次，对于L-2与L-15，R1>R4>R2>R3，所以温度对两株细菌降解LAS影响最大，其次是葡萄糖质量浓度和pH，装液量对降解率的影响最小.

2.2菌株共代谢降解动力学研究

对初始质量浓度为25、50、100 mg/L的LAS废水进行降解试验，结果如图1、 2所示.

图1　优化条件下L-2降解不同质量浓度LAS过程

图2　优化条件下L-15降解不同质量浓度LAS过程

从图1、2中可以看出，LAS质量浓度呈指数型下降，在降解初始阶段，LAS质量浓度下降快，随后趋于平缓.各拟合曲线均符合一级反应动力学方程，一般反应过程可表示为：

V=VmC/(k+C)

(2)

其中:V为反应速率，t-1；Vm为最大反应速率，t-1；C是底物质量浓度，mg/L，k为半饱和速率常数，当降解反应遵循一级动力学方程时，C≪k时，方程(2)可以写为：

V=VmC/k

(3)

反应速率常数k0=Vm/k，由式(3)求得底物质量浓度与时间关系为：

C=C0e-k0t

(4)

表4　L-2降解动力学方程

表5　L-15降解动力学方程

从表4、5可以看出，不同初始LAS质量浓度条件下，LAS降解率的实际值与理论值符合较好，拟合的相关系数平方R2均在0.92以上.对于菌株L-2，随着LAS初始质量浓度的升高，反应速率常数k0先升高后降低，当LAS初始质量浓度高于50 mg/L时，由于LAS的毒性作用，细菌生长繁殖会受到抑制，代谢活动减慢，因此降解速率下降，属于典型的抑制动力学.

3　结　论

1)正交实验表明细菌L-2的最适降解条件是温度30 ℃ ，pH=7.5，装液量50 mL，葡萄糖质量浓度500 mg/L；细菌L-15的最适降解条件是温度30 ℃，pH=7.5，装液量50 mL，葡萄糖质量浓度1 000 mg/L.

2)添加葡萄糖为生长基质的无机盐培养基中，在最适降解条件下，细菌L-2在120 h后对50 mg/L的LAS降解率为94.2%，细菌L-15在120 h后对50 mg/L的LAS降解率为92.2%.

3)当LAS质量浓度小于100 mg/L时，细菌L-2与L-15降解LAS反应符合一级动力学方程，LAS质量浓度较低时，反应速率常数较大，质量浓度较大时，由于LAS的毒害用，细菌生长繁殖受到抑制，降解反应速率降低.

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[11]MENG Q, GE S, LI W. The determination of linear alkylbenzene sulphonate in drinking water and sewage by fluorescence spectrometrt [J].Journal of environment and health, 1999, 16(2): 112.

Study on degradation kinetics of co-metabolic biodegradation of linear alkylbenzene sulfonate strains

JI Rui-wu1, ZHOU Li1, RAN Zhi-lin2, ZHU Jia3

(1. School of Environment and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China;2. School of Transportation and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China;3. Department of Building and Environmental Engineering, Shenzhen Polytechnic Institute, Shenzhen 518055, China)

The degradation kinetics of co-metabolic biodegradation of two linear alkylbenzene sulfonate (LAS) strains was studied. Two bacterial strains which could degrade linear alkylbenzene sulfonate by co-metabolism mechanism, named as L-2 and L-15 were determined to Klebsiella sp. and Enterobacter sp. The optimal degradation conditions of L-2 and L-15 were investigated by the orthogonal experiment. The results suggested that the degradation rate of LAS (50 mg/L) by L-2 was up to 94.2% when glucose was chosen as growth substrate under the conditions as: 30 ℃, pH 7.5, glucose concentration 500mg/L, while the degradation rate of LAS (50 mg/L) by L-15 was up to 92.2% under the conditions as: 30 ℃, pH=7.5, glucose concentration 1 000 mg/L. The degradation reactions fitted first order kinetics when the concentration of LAS ranged from 25 mg/L to 100 mg/L. Certain theoretical basis of the treatment of LAS wastewater was provided by this study.

LAS; biodegradation; co-metabolism; degradation kinetics

2015-11-23.

深圳市科技计划(JCYJ2014050815 5916418)

季瑞武(1991-)，男，硕士，研究方向：微生物生理生化.

朱佳，E-mail:zhmjia65@163.com.

X172

A

1672-0946(2016)04-0449-04