磷霉素高效降解菌对磷霉素环氧废水降解研究

孙剑平,符 昊,,李 娟,曾 萍

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 100168;2.中国环境科学研究院,北京 100012)

制药废水是一种具有成分复杂、毒性高、生物降解性差的工业废水[1]。磷霉素是一种天然广谱抗生素,对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌具有良好的抑制作用[2-3]。目前,我国磷霉素生产主要采用化学合成法,以叔丁醇、甲苯、H2、PCl3等为原料,经过酯化、催化加氢、环氧反应、拆分反应、精制、纯化等工艺,得到磷霉素纯品,同时会产生环氧废水、拆分废水和精制废水。环氧废水包含的主要污染物为有机磷原料、中间产物、副产物等,是一类典型难降解的工业废水。在工业废水处理方法中,生物处理法具有运行成本低、管理维护方便等优点[4]。但磷霉素生产中的环氧废水对传统的活性污泥法中的微生物具有较强抑制作用,使微生物对废水处理效率低,处理出水水质难以达标。添加高效降解菌可提高难降解目标废水的降解效率。生物强化技术是指将具有特定降解功能的微生物添加到传统生物处理技术中,以提高处理系统对目标污染物的降解效果、从而达到提高难降解有机物废水处理效率的目的[5]。周竹枫等[6]使用磷霉素高效降解菌强化循环活性污泥处理系统(CASS),经高效菌强化后的CASS反应器对出水COD、氨氮和总磷的平均去除率分别达到81.57%、90.67%和85.44%,该结果好于同条件下普通活性污泥净化效果。李微等[7]利用两单株反硝化聚磷菌进行水处理实验,实验结束后两株菌对硝态氮去除率分别为95.83%、96.30%,对总磷去除率分别为88.34%、91.42%;陈佩等[8]使用邻二甲苯高效降解菌在邻二甲苯质量浓度高达2 500 mg/L时,对其的去除率在30 h内可达到70%;因各菌种间可能存在协同作用,多株高效菌复配后对特征污染物的降解效果好于单株高效菌。笔者以磷霉素生产中的环氧废水为研究对象,比较了3株磷霉素高效降解菌以及其复配菌对环氧废水的处理效果,并获得复配菌处理环氧废水的最佳配比。

1 实 验

1.1 实验菌种

实验所用3株磷霉素高效降解菌是将微生物在高浓度磷霉素环境下驯化后经分离纯化得到[9],编号分别为P1、P2和P3。另取实验室存留的3株用于降解磷霉素生产实际废水中有机溶剂苯乙胺的高效菌做对照实验,编号分别为N1、N2和N3[10]。

1.2 实验原水

1.3 实验药剂

LB培养基是一种应用最广泛的细菌基础培养基,其具体成分及质量浓度为:ρ(NaCl)=10 g/L,ρ(酵母浸粉)=5 g/L,ρ(胰蛋白胨)=10 g/L。无机盐质量浓度如表1所示。

表1 实验所用无机盐成分

1.4 实验仪器与分析

使用紫外分光光度计测得菌液浓度(OD600);使用TOC分析仪测得总有机碳质量浓度;采用离子色谱仪测得磷霉素质量浓度;使用三维荧光光谱仪测得可溶性有机物质量浓度;使用DELTATOXⅡ仪器测定菌液急性毒性[11-12]。

1.5 实验方案

1.5.1 单株高效菌对磷霉素生产环氧废水降解

分别在6个500 mL锥形瓶内投加6株等质量浓度菌液30 mL、无机营养盐溶液168 mL、环氧废水2 m L、反应液定容到200 mL,置于空气浴恒温培养箱,设置培养箱温度为30 ℃,摇床设为转速120 r/min,pH调为7。

环氧废水加入摇瓶中时记为t=0 h,分别在84 h、108 h和132 h时间节点取样,对菌液的OD600数值、总有机碳(TOC)质量浓度、磷霉素质量浓度及可溶性有机物含量进行测试分析,以得到各单株菌对磷霉素生产环氧废水中有机物的降解情况。

1.5.2 复配高效菌对磷霉素生产环氧废水降解

通过稀释使3株菌液的OD600相同,该菌液用于复配实验。按正交实验设计9种高效菌复配方案,分别在实验运行时间为0 h、8 h、16 h、24 h、36 h、48 h、60 h、84 h、108 h、132 h处取样,并将不同复配比例的高效菌对磷霉素环氧废水的降解效果进行对比分析,得到3株菌降解磷霉素生产实际废水的最佳复配比例。正交实验表如表2所示。

表2 磷霉素高效菌复配正交实验设计

在锥形瓶内分别投加30 mL按设计比例复配后的菌液、168 mL含无机营养盐的无菌水及2 mL无菌处理后的磷霉素制药生产环氧废水,置于30 ℃、转速120 r/min的恒温培养箱中培养。48 h后分析各摇瓶中磷霉素质量浓度,得到3株菌的复配菌剂处理磷霉素生产环氧废水的最佳复配比例。

3.1 近年在教学实践中，轮滑、健美操项目考核除了规定动作的考核，加入及技能展示环节，给学生一个自我展示的平台，学生积极性高，教学效果良好。主观能动的创造性学习更能激发学生的兴趣，这对体育考核方式多样化改革具有一定借鉴意义。

2 结果分析

2.1 单株菌对磷霉素生产实际废水降解

2.1.1 TOC的降解

图1为各单株菌降解磷霉素环氧废水TOC质量浓度变化情况。从图1可以看出,随实验时间的增加环氧废水中总有机碳(TOC)的质量浓度明显下降,表明经6株单株降解菌的处理,环氧废水中所含的有机物得到有效去除。实验开始60 h后投加编号为N1、N2的苯乙胺降解菌的摇瓶中环氧废水总有机碳(TOC)的质量浓度变化趋于稳定,实验开始84 h后加入编号为N3的苯乙胺降解菌的环氧废水总有机碳(TOC)质量浓度变化趋于稳定,实验开始108 h后3株磷霉素高效菌总有机碳(TOC)质量浓度变化稳定。从实验结果来看,3株编号为P1、P2、P3的单株磷霉素降解菌对磷霉素环氧废水中TOC降解效果较好,去除率分别可达87.29%、88.62%、85.55%。3株用于降解苯乙胺的菌株对环氧废水中总有机碳(TOC)的去除效果相对较差,去除率分别仅为53.55%、65.22%、66.90%。说明磷霉素降解菌对该批次制药废水中有机物的净化效果更好。

图1 单株菌降解磷霉素环氧废水的TOC质量浓度变化情况

2.1.2 磷霉素的去除

图2为t=0 h和实验结束时刻t=132 h时各菌液磷霉素质量浓度及磷霉素去除效果。将3株磷霉素单株降解菌P1、P2、P3和3株苯乙胺的单株降解菌N1、N2、N3加入稀释100倍的磷霉素环氧废水,检测并对比不同时刻制药废水中特征污染物磷霉素的质量浓度。降解实验进行132 h后,投入编号为P2菌株的摇瓶中环氧废水的磷霉素质量浓度由t=0 h时间点的983.84 mg/L减少到859.06 mg/L,其对该批次废水的磷霉素降解率为12.68%。投入编号为P1菌株的摇瓶中环氧废水磷霉素质量浓度从t=0 h时间点的894.19 mg/L减少到790.23 mg/L,其对该批次废水的磷霉素去降解率为11.63%;投入编号为P3菌株的摇瓶中环氧废水磷霉素质量浓度从t=0 h时间点的916.05 mg/L减小到828.40 mg/L,其对该批次废水的磷霉素降解率为9.57%。在磷霉素含量高于890 mg/L的高毒性环境下,3株磷霉素降解菌对抗生素磷霉素的降解率仍能超过9%,说明磷霉素降解高效菌对抑制微生物生存的磷霉素具有较强的耐受力。用于对照实验的3株苯乙胺降解菌N1、N2、N3对该批次环氧废水中磷霉素的处理效果较差,降解率分别仅为2.27%、4.37%和0.97%,可见磷霉素高效菌对该批次环氧废水中磷霉素的去除能力相对更好。

图2 单株菌降解实验起止时刻磷霉素质量浓度及去除率

2.1.3 单株菌生长

图3为磷霉素环氧废水降解实验过程中6株单株菌细菌浓度变化情况。细菌浓度由指标OD600表示,OD600数值越高细菌浓度越大。由图3可知,实验启动时刻6株单株菌的细菌浓度数值基本相同,从实验运行34 h开始3株用于降解苯乙胺的菌株N1、N2、N3的细菌浓度增长速率放缓,此时3株磷霉素降解菌P1、P2、P3的细菌量仍保持较高的增长速度。实验进行84 h后,3株磷霉素高效菌的细菌浓度几乎停止增长。在实验运行108 h、132 h时刻测得的OD600数值略小于84 h时刻取样点。这可能由于实验后期摇瓶内缺乏营养物质,或摇瓶中积累过多的细菌代谢产物,抑制了微生物的生长,造成部分细菌死亡、溶解[13-15]

图3 单株菌在磷霉素环氧废水中的生长情况

2.1.4 可溶性有机物的降解情况

三维荧光扫描技术可对水中各组分有机物进行定性和定量分析,适用于测试包括磷霉素制药废水在内的成分复杂的有机废水,不同种类水样能够绘制出与其特征对应的三维荧光光谱图。汤久凯等[16]、吴静等[17]分别使用三维荧光技术检测并分析了半合成青霉素制药废水、某头孢制药废水和某印染废水的水质特性,得到了理想的实验效果(见图4)。图中EX表示激发波长,EM表示发射波长。从图4(a)可以看出,运用三维荧光技术检测磷霉素纯品所形成的光谱图无明显出峰现象,表明磷霉素纯品溶液中不存在使光谱图出峰的可溶性有机物。从图4(b)可以看出,稀释后的高浓度磷霉素环氧废水在激发波长处于300～400 nm、发射波长处于360～480 nm内出峰,出现最大峰的位置在EX=340 nm、EM=430 nm处,其峰强度为3 689。

图4 质量浓度1 g/L磷霉素纯品及稀释100倍磷霉素实际废水三维荧光光谱图

图5为3株磷霉素降解菌降解环氧废水前后水样的三维荧光光谱图。经过稀释后的磷霉素环氧废水和投加单株菌P1、P2、P3后的菌液在实验起始时刻三维荧光光谱图荧光峰信息如见表3所示。从表3可知,加入磷霉素降解菌的环氧废水样品的出峰范围激发波长EX为300～425 nm、发射波长EM为360～540 nm。将图4(b)表示的稀释后废水荧光峰出峰范围包含在内。投加P1、P2、P3菌株的样品最大荧光峰强度分别为4 309、3 957和4 265,均大于稀释后实际废水的最大峰峰强3 689。由于实验运行后菌液中含有与磷霉素环氧废水出峰位置相近的可溶性有机物,例如与微生物代谢产物相关的腐植酸、富里酸等,其中腐植酸的出峰EX为300～370 nm,EM为370～500 nm、富里酸出峰EX为237～260 nm,EM为400～500 nm[18-19],该类物质与磷霉素生产环氧废水的特征峰相叠加,使投加磷霉素降解菌的环氧废水样品最大峰强度相对更高。

图5 3株磷霉素降解菌对磷霉素环氧废水降解前后三维荧光光谱图

表3 水样三维荧光光谱图荧光峰相关信息

对照同一磷霉素降解高效菌实验前后的环氧废水样品三维荧光光谱图可以看出,表示相对较高荧光峰强度颜色的区域面积在经过菌剂降解实验后明显缩小。实验运行132 h后经过P1处理的废水最大峰强度从实验开始时刻的4 309降低至2 834;经过P2处理后的废水最大峰强度从实验开始时刻的3 957降低至3 298,经过P3处理的废水最大峰强度从实验开始时刻的4 265降低至2 741,说明3株磷霉素降解菌均对该批次磷霉素制药环氧废水中可溶性有机物有较好的降解效果。

2.2 磷霉素高效菌降解环氧废水复配配比

2.2.1 磷霉素的降解

将3株质量浓度相等的磷霉素降解菌菌液P1、P2、P3分别按表3所设计的菌液体积进行复配实验,各方案复配菌剂对磷霉素实际废水的处理结果如表4所示。

表4 不同复配比例下废水中磷霉素去除情况

从表4可以看出,3株磷霉素降解菌P1、P2、P3按3∶3∶2的体积比进行复配时对实际废水中磷霉素降解效果最好,该复配比下磷霉素去除率可达45.02%。同时,与P1、P2、P3单株菌降解实验运行48 h时刻的磷霉素去除率4.44%、4.78%、3.83%相比,9种复配方案对磷霉素的降解效果更好,这与许尚营[20]、杨冠东等[21]等在采用多株高效菌进行复配后处理废水中目标污染物的实验中复配菌剂对水样处理效果好于单株菌的结果相同,表明3株单株磷霉素降解菌之间存在协同作用。

2.2.2 最佳配比下磷霉素降解菌对环氧废水的毒性去除

选择制药废水的水处理技术时,对抗生素制药废水等高浓度有机废水的毒性削减能力也是重要的考虑因素之一。笔者采用海洋发光弧菌检测实验前后水样的急性毒性指标。水样毒性越大,海洋发光弧菌光损失指标数值越高。最优复配比例复配菌剂对环氧废水的毒性去除结果如表5所示。

表5 最佳配比下磷霉素降解菌对环氧废水毒性的削减情况

实验起始时刻原水的发光菌光损失量为61%,实验运行24 h后为光损失56%,实验运行48 h后光损失降低为40%,说明复配菌剂有效削减了高浓度磷霉素制药环氧废水的毒性。

2.2.3 有机物的降解

对最佳配比菌剂降解实验前后的环氧废水取样做三维荧光测试,得到三维荧光光谱如图6所示。从图6可知,实验运行48 h后荧光峰强度相对较高的区域范围显著缩小,最大荧光峰峰强由4 901缩减至4 540。可见最佳配比复配后的菌剂可有效降低磷霉素制药环氧废水中可溶性有机物含量。

图6 最佳配比下复配菌处理磷霉素环氧废水前后三维荧光光谱图

3 结 论

(1)摇瓶实验运行132 h后,单株菌P1、P2、P3对总有机碳的去除率分别达到87.29%、88.62%和5.55%,磷霉素的去除率分别为11.63%、12.68%、9.57%,对废水中可溶性有机物也有较好的处理效果,3株降解菌均对该类磷霉素实际废水中有机物有较好的降解能力。

(2)在磷霉素质量浓度高于890 mg/L的高毒性、高抗生素浓度的水体环境中,单株菌P1、P2、P3仍对磷霉素有高于10%的去除率,说明磷霉素降解菌对磷霉素有相当强的耐受力。

(3)当等浓度磷霉素降解菌P1、P2、P3按3∶3∶2的体积比进行复配时,复配菌剂对该类磷霉素环氧废水的处理效果最好,降解实验运行48 h后对磷霉素去除率为45.02%。

(4)最佳配比下,实验运行48 h后水样可使海洋发光弧菌的光损失量从61%降低至40%,可见复配菌剂对该类制药废水有较强的毒性削减能力。