引用本文
吴奇, 刘海华, 李瑞娟, 马宁, 徐伟霞. 同时降解柴油和去除Cr(Ⅵ)的混合菌种特性研究[J]. 工业催化, 2019,27(11): 76-80.
Wu Qi, Liu Haihua, Li Ruijuan, Ma Ning, Xu Weixia. Study on the characteristics of mixed strains for simultaneous Cr(VI) reduction and diesel degradation[J]. Industrial Catalysis, 2019,27(11): 76-80.  
DOI:10.3969/j.issn.1008-1143.2019.11.015
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同时降解柴油和去除Cr(Ⅵ)的混合菌种特性研究
吴奇, 刘海华*, 李瑞娟, 马宁, 徐伟霞
西安航空学院能源与建筑学院,陕西 西安 710077
通讯联系人:刘海华。E-mail: haihualiu@126.com

作者简介:吴 奇,1975年生,副教授,工学硕士,主要研究方向为环境污染治理技术。

收稿日期: 2019-06-25
基金资助: 陕西省教育厅专项科研计划项目(18JK0406); 西安航空学院创新创业训练计划项目( DCX2019048)
摘要

生物处理是目前废水处理最常用的方法之一,接种特殊驯化的菌株可达到加快去除污染物、实现治理的目的。在实验室条件下驯化得到同时降解柴油和去除Cr(Ⅵ)的混合菌种,对该混合菌种处理单一污染和柴油-Cr(Ⅵ)复合污染水体的效果进行了对比。结果表明,单一柴油污染时的柴油降解率低于复合污染中柴油的降解率,培养基2更适合复合污染。复合污染中,柴油最高降解率达96%,柴油初始浓度为3 027.89 mg·L-1、Cr(Ⅵ)初始浓度为5 mg·L-1时,培养基2条件下,Cr(Ⅵ)去除率最高,达88%。

关键词: 三废处理与综合利用; 复合污染; 混合菌种; 培养基
中图分类号:TQ426.97;X703    文献标志码:A    文章编号:1008-1143(2019)11-0076-05
Study on the characteristics of mixed strains for simultaneous Cr(VI) reduction and diesel degradation
Wu Qi, Liu Haihua*, Li Ruijuan, Ma Ning, Xu Weixia
College of Energy and Architecture,Xi'an Aeronautical University,Xi'an 710077,Shaanxi,China
Abstract

Biological treatment is one of the most commonly used methods for wastewater treatment.Inoculation of special domesticated strains can achieve the purpose of accelerating the removal of pollutants.Domesticated under laboratory conditions to obtain a mixed strain that simultaneously degrades diesel and removes Cr(VI).The mixed bacteria was treated with single pollution and diesel-Cr(VI) complex polluted water.The results showed that the degradation rate of diesel oil in single diesel pollution was lower than that in diesel with composite pollution.Culture medium 2 was more suitable for composite pollution.The degredation of diesel in mixed pollution was up to 96%.In the combined pollution,when the initial concentration of diesel was 3 027.89 mg·L-1 and the initial concentration of Cr(VI) was 5 mg·L-1, the removal rate of Cr(VI) was the highest under the condition of culture medium 2,which was 88%.

Keyword: treatment and integrated application of three waste; co-contamination; mixed strains; culture medium

随着全球工业化进程的加速, 复合污染日益释放到环境中。复合污染物是电力、农药厂、电镀、油漆、炼油、金属冶炼等行业的副产品, 通常含有硫氧化物、一氧化氮、农药、多氯联苯、多环芳烃和重金属等。环境中复合污染物最多的是重金属和多环芳烃。重金属和多环芳烃的结合对植被、土壤微生物和人类健康构成巨大威胁, 对生物体具有致突变性、致畸性和致癌性。化学氧化法、离子交换法和电镀法等多种污染物综合治理技术已得到应用, 但化学法产生二次有害废物, 植物萃取法需要较长时间[1]。

生物修复技术具有很多优势。对含有碳氢化合物和重金属废料的生物修复是基于微生物(如细菌和真菌)吸收或降解使之成为无毒产品。这些微生物可能是一个污染区的本土微生物, 也可能是从另一个地方分离出来并转移到污染区的。Liu Minchao等[2]采用水培实验, 研究风车草对Cr(Ⅵ )和Ni的积累及耐受机理。结果表明, 在Cr(Ⅵ )和Ni复合污染下, 低浓度的Ni提高了风车草对Cr(Ⅵ )的富集和迁移能力, 而高浓度的Ni则相反。Malakul P等[3]在镉和萘的复合污染水体中添加一种改性粘土和螯合树脂, 结果显示, 改性粘土复合物和螯合树脂对萘生物降解过程中镉的毒性有显著的降低作用, 而未填加改性粘土和螯合树脂对镉的毒性没有显着影响。Liu Yunguo等[4]通过实验得到既可降解苯酚又可去除Cr(Ⅵ )的混合菌液, 实验中苯酚是唯一碳源, 苯酚初始浓度为150 mg· L-1、Cr(Ⅵ )初始浓度为15 mg· L-1时, Cr(Ⅵ )还原效果最佳, Cr(Ⅵ )还原和苯酚降解均受培养基组成以及复合污染物初始浓度的影响。Song Huaxiao等[5]以苯酚为碳源, 研究铜绿假单胞菌降解苯酚并还原Cr(Ⅵ ), 当Cr(Ⅵ )浓度超过20 mg· L-1时, Cr(Ⅵ )抑制了Cr(Ⅵ )的还原和苯酚的降解, 而当Cr(Ⅵ )浓度低于100 mg· L-1时, 苯酚同时促进了Cr(Ⅵ )的还原和苯酚的降解, Cr(Ⅲ )是培养24 h后Cr(Ⅵ )还原的主要产物。Olaniran A O[6]等研究表明, 重金属可能通过与酶的相互作用抑制氯化有机物的生物降解, 并预测了重金属毒性对土壤中有机污染物生物降解的影响, 因为重金属可能存在于多种化学物质中。

大量研究表明, 使用土著微生物降解需要时间长, 效果不佳, 满足不了工程需求。在实际应用中, 有必要接种经过驯化的菌株, 加快去除污染物的过程, 达到治理污染的目的。

本文针对Cr(Ⅵ )和柴油复合污染, 研究水体中经驯化得到的混合菌液在不同培养基、不同Cr(Ⅵ )初始浓度、不同柴油初始浓度条件下, 对Cr(Ⅵ )和柴油去除率。

1 实验部分
1.1 微生物菌种

微生物菌种取自陕北某油田附近含油污泥, 经富集、筛选、分离和驯化, 得到对Cr(Ⅵ )及柴油具有高去除性能的混合菌种。

1.2 实验液体制备

将40 mL液体培养基装入200 mL三角瓶中, 灭菌、冷却, 在三角瓶中加入前期驯化好的菌液10 mL, 在恒温恒湿培养箱中培养, 30 ℃和120 r· min-1条件下, 进行好氧振荡培养。

培养基1:尿素0.600 g· L-1, MgSO40.025 g· L-1, CaCl20.010 g· L-1, FeSO40.020 g· L-1, NaH2SO41.433 g· L-1, K2HSO40.544 g· L-1, 蒸馏水1 L, 配好后调节至pH=7。

液体培养基2:蛋白胨10 g, 酵母粉5 g, 氯化钠10 g, 蒸馏水1 L, 配好后调节至pH=7。

1.3 实验工况设计

污染物:柴油+Cr(Ⅵ ), 设置5组平行实验, 如表1所示。T1组柴油初始浓度不变, 改变Cr(Ⅵ )初始浓度; T2~T5组保持Cr(Ⅵ )初始浓度为0 、5 mg· L-1、10 mg· L-1、20 mg· L-1、25 mg· L-1, 改变柴油初始浓度。5组实验过程中温度(30 ℃)及初始pH=7相同。分别于反应24 h、48 h、72 h后测定柴油浓度, 反应72 h后测定Cr(Ⅵ )浓度。

表1 实验工况设计 Table 1 Design of experimental conditions

利用紫外分光光度计测定柴油降解率, 以石油醚作为萃取剂[7]。采用二苯碳酰二肼分光光度法(GB7467-87)测定Cr(Ⅵ )去除率, 由于待测样液中含有较多干扰因素, 在测定之前离心过滤, 以去除浊度、有机物等干扰因素。

2 结果与讨论
2.1 不同培养基条件下单一污染物柴油的降解

在环境温度30 ℃及初始pH=7时, 考察不同培养基条件下单一污染物柴油的降解, 柴油浓度如T2所述顺序, 结果如图1所示。由图1可知, 微生物对柴油的降解率随着时间的推移快速增加并趋于平衡。在降解环境温度及初始pH值一定的条件下, 改变柴油浓度, 微生物对柴油的降解效率有着显著的变化, 柴油浓度为1 516.97 mg· L-1时, 3次监测降解效率均为最高。李亚龙[8]对苯、萘等芳烃类石油污染物降解菌的研究表明初始浓度影响苯和萘降解效率, 苯和萘的初始浓度越高, 对微生物降解的抑制作用越大。培养基1条件下, 微生物对柴油的降解效率72 h时最高达89%, 培养基1的降解效率高于培养基2。

图1 单一污染(T2)柴油降解效率Figure 1 Degradation efficiency of single pollution (T2) diesel oil

2.2 不同培养基条件下复合污染中柴油的降解

在环境温度30 ℃及初始pH=7时, 考察不同培养基条件下复合污染物中柴油的降解, 柴油浓度如T3所述顺序, 结果如图2所示。由图2可知, Cr(Ⅵ )存在条件下, 不同柴油初始浓度对应的柴油降解率没有显著差异, 但明显高于单一污染时柴油的降解效率, 反应时间(48~72) h较(24~48) h降解速率快。降解时间24 h时, 不同培养基上, 柴油降解效率有所差别, 但随着时间的增加, 这种差异越来越小, 反应时间72 h时, 2个培养基上柴油降解率接近, 最高达96%。Song Huaxiao等[5]研究同时降解苯酚和Cr(Ⅵ )的铜绿假单胞菌特性, 发现:1)铜绿假单胞菌利用了有机物苯酚降解过程中形成的代谢物作为还原Cr(Ⅵ )的能源; 2)复合污染中只有在初始Cr(Ⅵ )浓度较低(≤ 20 mg· L-1)时, 苯酚的浓度才迅速下降。本实验结果与这些结论是一致的。

图2 复合污染(T3)柴油降解效率Figure 2 Degradation efficiency of diesel oil from combined pollution (T3)

2.3 不同培养基条件下复合污染中Cr(Ⅵ )的去除

在环境温度30 ℃及初始pH=7时, 考察不同培养基条件下复合污染物中Cr(Ⅵ )的去除, Cr(Ⅵ )浓度如T1、T3、T4、T5所述顺序, 反应时间72 h时, 结果如图3、图4、图5和图6所示。

图3 复合污染(T1)Cr(Ⅵ )去除率Figure 3 Removal efficiency of complex pollution (T1) Cr(Ⅵ )

图4 复合污染(T3)Cr(Ⅵ )去除率Figure 4 Removal efficiency of complex pollution (T3) Cr(Ⅵ )

图5 复合污染(T4)Cr(Ⅵ )去除率Figure 5 Removal efficiency of complex pollution (T4) Cr(Ⅵ )

图6 复合污染(T5)Cr(Ⅵ )去除率Figure 6 Removal efficiency of complex pollution (T5) Cr(Ⅵ )

由图3可以看出, 复合污染中柴油初始浓度一定时, 随着Cr(Ⅵ )初始浓度的增大, 去除率降低。Cr(Ⅵ )初始浓度为5 mg· L-1时, 反应时间72 h测得培养基1条件下去除率最高达83%, 培养基2条件下去除率最高达88%, 表明培养基2更为适合去除Cr(Ⅵ )。随着Cr(Ⅵ )初始浓度的增大, 去除率迅速下降, 初始浓度为20 mg· L-1、25 mg· L-1时, 去除率仅为约10%, 表明前期驯化的混合菌种对于Cr(Ⅵ )的去除具有一定效果, 但当Cr(Ⅵ )初始浓度过大时, 就会抑制Cr(Ⅵ )去除[8]。Liu Yunguo 等[9]的研究表明, 主要由铜绿假单胞菌的可溶性酶还原Cr(Ⅵ ), 铬酸盐(Cr O42-)的毒性和高氧化电位可能会降低可溶性酶的活性。

由图4和图5可以看出, 在复合污染中, 初始柴油含量的变化影响Cr(Ⅵ )的去除效果。随着柴油浓度由1 516.97 mg· L-1增大到4 532.8 mg· L-1, Cr(Ⅵ )去除率相应增大, 表明此浓度范围内, 复合污染物中柴油初始浓度增大提高Cr(Ⅵ )的去除。

由图6可以看出, 复合污染中Cr(Ⅵ )的初始浓度达到20 mg· L-1时, 随着柴油初始浓度由1 516.97 mg· L-1增大到4 532.8 mg· L-1, Cr(Ⅵ )的去除率变低, 表明此时复合污染中柴油初始浓度变大抑制Cr(Ⅵ )的去除。综上, 影响Cr(Ⅵ )还原效果的除了柴油初始浓度, 还有Cr(Ⅵ )的初始浓度。Song Huaxiao等[5]研究同时降解有机物苯酚和Cr(Ⅵ )的铜绿假单胞菌特性, 结果表明, 在一定苯酚初始浓度范围内(≤ 100 mg· L-1), 初始苯酚浓度的增加将增强Cr(Ⅵ )的还原。这与本次实验结果吻合。

复合污染中, 培养基对于Cr(Ⅵ )的降解影响明显, 培养基2更适合Cr(Ⅵ )的降解, 而对于柴油几乎没有影响。

3 结 论

(1) 前期驯化的混合菌种对柴油和Cr(Ⅵ )复合污染具有一定效果, 反应时间72 h时, 柴油最高降解率达96%, Cr(Ⅵ )去除率达88%。

(2) 培养基1适用于单一污染物柴油, 培养基2更适合复合污染, 可在不影响柴油降解前提下, 提高Cr(Ⅵ )的去除率。

(3) 复合污染中, 柴油初始浓度不变时, Cr(Ⅵ )的去除效果跟其初始浓度有关, 也与培养基有关。Cr(Ⅵ )的初始浓度为5 mg· L-1时, 培养基2上最高去除率达88%。

(4) 复合污染中, 柴油和Cr(Ⅵ )初始浓度同时改变时, Cr(Ⅵ )的去除既有赖于自身的初始浓度也有赖于柴油的初始浓度, 柴油初始浓度为3 027.89 mg· L-1、Cr(Ⅵ )初始浓度为5 mg· L-1时, 培养基2条件下, Cr(Ⅵ )去除率最高, 达88%。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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