生物反應器中脫色菌Kingella H固定化特性的研究

固定化細胞生物反應器具有細胞密度大、微生物不易流失、廢水處理效率高且污泥量小等特點，近年來成為國內外研究的熱點。微生物在載體上的附著固定是生物膜形成的關鍵步驟，直接影響到反應器的功效及啟動運行周期[1，2]。作者在研究KingellaH游離細胞降解結晶紫染料特性的基礎上[3]，組建固定化細胞生物反應器，對反應器中脫色菌KingellaH的固定化特性進行研究，并對其在活性炭表面附著固定的動力學進行初步探討，擬為進一步開發降解實際工業染料廢水的生物反應器奠定基礎。

1 實驗

1.1 菌種

KingellaH，自行分離馴化，經西北大學生命科學院生物實驗中心鑒定為金氏金氏桿菌(Kingellakingae)。

1.2 菌懸液的制備

取振蕩培養24 h的KingellaH培養液于5000 r· min-1離心10 min，用pH值7.0的磷酸緩沖溶液洗滌、離心，處理3次后定容，重新制成細菌懸浮液。

1.3 固定化反應器的制備

將一定量水洗烘干后的顆粒活性炭(粒徑3～5 mm)填充到直徑為80 mm、高度為500 mm的玻璃柱中，使其有效高度達到400 mm，有效體積為2.0 L，組建下流式底部曝氣間歇式生物反應器[4]，如圖1所示。

圖1 固定化生物反應器示意圖

1.4 附著固定方法

將制備的菌懸液加入到反應器中，在一定條件下，經可逆與不可逆吸附后，微生物在活性炭的表面獲得一個相對穩定的生存環境。間隔一定時間取樣，在菌懸液最大吸收波長420 nm處測定吸光度值，據已建立的菌體量-吸光度工作曲線換算菌體量[5]。根據溶液中菌體的減少量，計算出單位載體表面積上附著固定的生物量。

2 結果與討論

2.1 初始菌懸液濃度的影響

在生物膜反應器中，懸浮微生物濃度代表了微生物與載體間的接觸頻率。一般來說，隨著懸浮微生物濃度的增加，微生物與載體間的可能接觸幾率也隨之增大。在自然條件(25℃、pH值7)下，考察KingellaH菌懸液初始濃度對其在活性炭表面吸附固定生物量的影響，結果如圖2所示。

圖2 初始菌懸液濃度對固定生物量的影響

由圖2可見，當初始菌懸液濃度從5.6 mg·L-1增加到111.1 mg·L-1時，KingellaH在載體上的附著固定量也相應增大;之后，隨著初始菌懸液濃度的進一步增加，其附著固定量變化不大，并趨于穩定。這表明，KingellaH在載體表面的固定化主要決定于初始菌懸液濃度，同時還受到載體有效表面積的限制。

2.2 液相離子強度的影響

液相離子強度會直接影響懸浮微生物的表面電荷，特別是影響細菌周圍的雙電層結構。用NaCl調節菌懸液的離子強度為0.01～0.45 mol·L-1，考察液相離子強度對載體上固定生物量的影響，結果如圖3所示。

圖3 液相離子強度對固定生物量的影響

由圖3可見，當液相離子強度增加時，載體上的固定生物量也增大。固定180 min，液相離子強度在0.01～0.20 mol·L-1時，固定生物量的增加比較顯著，從7.95 μg·cm-2增加到12.21 μg·cm-2；而當液相離子強度為0.20～0.45 mol·L-1時，固定生物量的增加則非常緩慢，僅從12.21 μg·cm-2增加到13.21 μg·cm-2。

2.3 溫度的影響

調節反應器中菌懸液的溫度，考察溫度對微生物在載體上附著固定量的影響，結果如圖4所示。

圖4 溫度對固定生物量的影響

由圖4可見，溫度在30～40℃之間，固定化效果最好，溫度為35℃時載體上的生物量最大，這與細菌的最適生長溫度范圍是一致的。因此，創造最適的溫度條件以使微生物處于最佳生理狀態，有利于其在載體上的吸附固定。

2.4 pH值的影響

在反應器中，pH值的變化也會直接影響微生物的表面電荷特性。用HCl和NaOH調節菌懸液的pH值為4～9，考察pH值對載體上固定生物量的影響，結果如圖5所示。

圖5 pH值對固定生物量的影響

由圖5可知，同一時間pH值為6時活性炭載體上固定生物量最多，固定180 min時達到28.9 μg·cm-2，pH值為7的次之，而在酸性及堿性條件下固定生物量明顯下降。

2.5 微生物固定化動力學分析

在pH值為6、溫度為35℃、初始菌懸液濃度為111.1 mg·L-1、液相離子強度為0.20 mol·L-1的最佳條件下，于不同時間取樣測定活性炭載體上的生物量，結果如圖6所示。

圖6 Kingella H在活性炭上的積累

由圖6可見，在150 min內，載體上的生物量隨著時間的延長顯著增加，之后便達到飽和，趨于穩定。KingellaH在活性炭表面的附著行為遵循一級可逆反應動力學[6]。其附著固定動力學方程可表示為：

式中:t為時間，min；ɑ為微生物附著總常數，min-1；B為t時刻微生物表面附著量,μg·cm-2;Bmax為可逆附著中微生物最大附著量，μg·cm-2。

經簡化后，可表示為：

以1/t對1/B作圖，由趨勢線的斜率和截距可知Bmax為40 μg·cm-2、ɑ為0.0170 min-1。因此，KingellaH在活性炭載體表面的附著固定動力學方程式為：

3 結論

(1)生物反應器中細菌KingellaH在活性炭載體上固定化的最適條件如下：初始菌懸液濃度為111.1 mg·L-1、液相離子強度為0.20 mol·L-1、溫度為35℃、pH值為6,此條件下微生物在載體上附著固定180 min的生物量可達30 μg·cm-2。

參考文獻：

[1] 邢國平，陳若宇，孫寶盛，等.缺氧-好氧生物膜反應器掛膜的試驗研究[J].新疆環境保護，2001，23(1):25-27.

[2] 王建龍.固定化對微生物生理變化的影響[J].中國生物工程雜志，2003，23(7):62-66.

[3] 譙建軍，田萍，姚秉華，等.染料結晶紫降解菌分離及其特性研究[J].環境污染治理技術與設備，2006，7(2)：62-65.

[4] 徐亞明,蔣彬.曝氣生物濾池的原理及工藝[J].工業水處理,2002,22(6):1-2.

[5] 朱海燕.生物膜反應器處理印染廢水的研究[D].西安：西安理工大學,2006.

[6] 劉雨,趙慶良,鄭興燦.生物膜法污水處理技術[M].北京:中國建筑工業出版社，2000:16-18.