苯酚是一種造紙、塑料、煉焦生產(chǎn)行業(yè)中的常見有機(jī)污染物，具有致癌、致畸的毒性。當(dāng)前在基于微生物固定方法進(jìn)行苯酚廢水的處理時(shí)主要采用包埋法，然而包埋法在實(shí)際運(yùn)用時(shí)受質(zhì)子傳遞效應(yīng)的影響，其酶分子空間自由度受到限制，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢水的高效處理，因此急需對(duì)其工藝進(jìn)行改進(jìn)。
1、材料與方法
1.1 苯酚降解菌制備與培養(yǎng)基
從某污水處理廠中提取活性污泥樣品，以苯酚作為唯一碳源和能源，選取500mg/L苯酚添加到樣品中，經(jīng)過1個(gè)月后從活性污泥中馴化培養(yǎng)出混合菌群，采用平板涂布法篩選出1株JS菌株作為苯酚降解菌，實(shí)現(xiàn)對(duì)菌株的分離與純化，并分別完成無機(jī)鹽培養(yǎng)基、固體培養(yǎng)基與富集培養(yǎng)基的配制。
1.2 磁固定化細(xì)胞的制備
收集JS菌液，將其以8000r/min的轉(zhuǎn)速離心5min，收集菌體、棄去上清液，利用三羥甲基氨基甲烷將其洗滌3次，用無菌去離子水配制成2g菌懸液。選取0.75g結(jié)冷膠溶于65℃以上的37.5mL無菌去離子水中，依次向溶液中加入10mL菌懸液與1.2mg的r-Fe2O3，待將溶液均勻混合后，利用注射器滴入0.2mol/L磁性物質(zhì)GaCl2中，在4℃溫度條件下交聯(lián)反應(yīng)120min，即可制備出磁固定化細(xì)胞。
1.3 耦合體系的建立與試驗(yàn)
設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)成分包含500mg/L苯酚、7.1g/L硫酸鈉、2g/L硫酸銨，曝氣量設(shè)為0.2L/min，將制備出的磁固定化細(xì)胞加入到無電極反應(yīng)器中，反應(yīng)器容積為1L，采用高效液相色譜儀測(cè)定苯酚濃度，并選取多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)記錄苯酚降解率。選取7×4cm的石墨板與7×4cm的不銹鋼網(wǎng)分別作為陽極和陰極，將組建好的電極體系放置到反應(yīng)器中，利用導(dǎo)線將其與直流穩(wěn)壓電源PS-303D相連，分別檢測(cè)出磁固定化細(xì)胞、電芬頓體系與耦合體系的苯酚降解率，并分析電壓、溫度、pH值等變量對(duì)苯酚降解率的影響。待完成反應(yīng)器試驗(yàn)后，利用磁鐵提取出耦合體系中的磁固定化細(xì)胞，將磁固定化細(xì)胞置入無菌去離子水中洗滌2次，隨后重新進(jìn)水，并針對(duì)苯酚降解率進(jìn)行測(cè)定，共循環(huán)6次。
1.4 酶活性與菌株濃度的檢測(cè)
在反應(yīng)12h后，針對(duì)苯酚羥化酶的活性進(jìn)行檢測(cè)，將磁固定化細(xì)胞置于5%檸檬酸鈉溶液中，待充分溶解后離心處理、棄去上清液，利用三羥甲基氨基甲烷將其洗滌3次后懸浮，將懸浮液放入超聲破碎儀中破碎0.5h，在4℃條件下以22000r/min的轉(zhuǎn)速離心0.5h，提取其上清液作為粗酶液，并分別采用紫外-可見分光光度計(jì)與qPCR儀完成酶活性與菌株濃度的測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 磁固定化細(xì)胞的苯酚降解特性分析
為研究耦合體系的苯酚降解率，首要前提是針對(duì)磁固定化細(xì)胞的苯酚降解特性進(jìn)行測(cè)定，選取游離細(xì)胞、非磁固定化細(xì)胞與磁固定化細(xì)胞作為對(duì)照組，記錄伴隨反應(yīng)時(shí)間推移三種物質(zhì)的苯酚降解率變化情況。通過觀察反應(yīng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)時(shí)間到達(dá)15h時(shí)，三種物質(zhì)對(duì)苯酚的降解率分別為85.3%、77.6%和90.7%，其中非磁固定化細(xì)胞的降解率最低，主要受制于質(zhì)子傳遞效應(yīng)的影響，結(jié)冷膠與菌株結(jié)合后影響到苯酚在細(xì)胞內(nèi)部的傳達(dá)效果;游離細(xì)胞對(duì)苯酚的降解率低于磁固定化細(xì)胞，其主要原因是高濃度污染物在接觸到游離細(xì)胞后將對(duì)細(xì)胞活性產(chǎn)生抑制作用，削弱其對(duì)于苯酚的降解速率;磁固定化細(xì)胞對(duì)苯酚的降解率最高，主要原因是r-Fe2O3納米顆粒對(duì)于結(jié)冷膠與菌株的結(jié)合起到了有效的疏散作用，可促使苯酚順利進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部，有效優(yōu)化苯酚降解效果[2]。
2.2 電壓對(duì)苯酚降解性能的影響
將反應(yīng)時(shí)間設(shè)為12h，電壓分別取值為0V、0.5V、1V、1.5V和2V，試分析不同電壓條件下苯酚降解率的變化。通過觀察試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在電壓為0-1V時(shí)，耦合體系的苯酚降解率呈不斷提升趨勢(shì)，待反應(yīng)到達(dá)12h時(shí)降解率達(dá)到100%;但在電壓為1-2V時(shí)，耦合體系的苯酚降解率呈逐漸下降趨勢(shì)，待反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為12h時(shí)降解率降至53.7%。由此可以推斷出，在電壓超過一定數(shù)值時(shí)將削弱磁固定化細(xì)胞的降解性能，并且還將增加能耗問題，因此該耦合體系的最佳電壓數(shù)值應(yīng)設(shè)為1V。
同時(shí)，JS菌株中的苯酚羥化酶是促進(jìn)苯酚生物降解的關(guān)鍵酶，苯酚羥化酶的活性將直接影響到微生物降解效果。通過觀察電壓對(duì)苯酚羥化酶活性的影響結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在電壓處于0～1V范圍內(nèi)時(shí)，苯酚羥化酶的活性增加了0.101U/mg;在電壓處于1～2V范圍內(nèi)時(shí)，苯酚羥化酶的活性降低了0.208U/mg。由此可以推斷出，倘若電壓值過高也會(huì)對(duì)苯酚羥化酶的活性產(chǎn)生抑制作用，該耦合體系在電壓為1V時(shí)苯酚羥化酶活性達(dá)到最大值。
2.3 pH值對(duì)苯酚降解性能的影響
在反應(yīng)時(shí)間為12h、電壓為1V的條件下，將pH值分別取值為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5和7，試分析不同pH值對(duì)于耦合體系的苯酚降解性能的影響。從中可以看出，當(dāng)pH值為2.5時(shí)，苯酚降解率為最低值61.7%;當(dāng)pH值逐漸升高至3.5時(shí)，苯酚降解率增至86.75%;此后在pH值由3.5升至7期間，苯酚降解率始終保持穩(wěn)定值，無明顯變化。由此可以推斷出，耦合體系在酸性條件下的降解性能達(dá)到最優(yōu)，但過酸條件下也將限制鐵離子參與電芬頓反應(yīng)、抑制磁固定化細(xì)胞的降解效果，因此宜將耦合體系反應(yīng)的最佳pH值設(shè)為3.5。
2.4 溫度對(duì)苯酚降解性能的影響
在反應(yīng)時(shí)間為12h、電壓為1V、pH值為3.5的條件下，將反應(yīng)溫度分別取值為16℃、20℃、24℃、28℃、32℃、36℃、40℃、44℃，試分析不同溫度對(duì)于耦合體系的苯酚降解性能的影響。從中可以看出，在反應(yīng)溫度由16℃升高至24℃過程中，苯酚降解率處于逐漸攀升趨勢(shì);在反應(yīng)溫度處于24～32℃范圍內(nèi)時(shí)，苯酚降解率攀升幅度較大;在反應(yīng)溫度由32℃增至44℃期間，苯酚降解率呈下降趨勢(shì)，并且在溫度超過40℃后溫度急劇下降。由此可以推斷出，溫度變化將影響到耦合體系對(duì)于苯酚的降解性能，溫度過高或較低均會(huì)抑制苯酚降解效果，宜將該耦合體系反應(yīng)的最適宜溫度設(shè)為32℃。
2.5 其他外緣因素的影響效果
除電壓、pH值、溫度等反應(yīng)條件外，培養(yǎng)基的配方也將影響到菌株對(duì)于苯酚的降解性能。將酵母粉、蛋白胨、葡萄糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0.4%，硫酸銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，通過觀察試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖、硫酸銅作為培養(yǎng)基配方時(shí)，菌株對(duì)于苯酚的降解性能較低;以葡萄糖和重金屬銅離子作為培養(yǎng)基配方時(shí)，菌株的苯酚降解率分別為85.1%和70.8%;以酵母膏、蛋白胨作為培養(yǎng)基配方時(shí)，菌株的苯酚降解率分別為93.3%和99.2%。由此可以推斷出，以培養(yǎng)基配方為代表的外緣因素也將影響到耦合體系的苯酚降解性能。
3、結(jié)論
本文從活性污泥中篩選出1株JS菌株制備磁固定化細(xì)胞，將其與電芬頓體系結(jié)合構(gòu)成耦合體系。試驗(yàn)結(jié)果表明，在電壓為1V、溫度為32℃、pH值為7～7.5的反應(yīng)條件下，該耦合體系對(duì)苯酚的降解率達(dá)到最優(yōu)值，并且隨重復(fù)利用率的增加，其降解性能呈現(xiàn)出顯著提升，可實(shí)現(xiàn)對(duì)苯酚廢水降解效果的有效優(yōu)化。( >
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