糙皮側耳降解堿木素的動力學研究

趙麗紅，孫洪軍

(遼寧工業大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

糙皮側耳降解堿木素的動力學研究

趙麗紅，孫洪軍

(遼寧工業大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

對糙皮側耳B1(白腐真菌的一種)降解堿木素的動力學進行了研究。基于Logistic方程，建立了糙皮側耳B1在純培養條件和堿木素存在條件下的生長動力學模型。動力學模型參數分別為0.94 d－1和0.90 d－1。該模型能夠較好地模擬體系中生物量的變化，平均相對誤差分別為3.2%和3.4%。糙皮側耳B1對低濃度堿木素的降解存在底物抑制現象，建立了底物抑制動力學模型，堿木素的最大比降解速率為1.46 h－1，底物飽和常數為36.7mg/L，底物抑制常數為308.30 mg/L。

動力學;模型;堿木素;糙皮側耳;白腐真菌;降解

對微生物的生長和增殖、底物消耗、產物生成等的動力學特征進行研究有助于加深對微生物生長行為的認識，可用于指導生產實踐。在描述微生物生長的相關數學模型中，最經典的是Verhulst－Pearl的 Logistic方程、M ichelis－Menten方程和Monod方程［1］。近年來，生物學領域的各類數學模型紛紛出現，尤其是在環境生物學領域所提出的一些共代謝模型大大發展了上述經典模型的理性內涵和專業屬性［2－4］。關于白腐真菌對環境污染物的降解動力學已有不少研究［5－7］，但關于糙皮側耳(白腐真菌的一種)對堿木素的降解動力學研究較少。

本工作對糙皮側耳的生長動力學和其對堿木素的降解動力學進行了分析探討，從理論上確定了糙皮側耳降解堿木素的生化反應模型，為進一步放大實驗和工業化生產提供了依據。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

堿木素:利用堿法制漿廢液經最新生產工藝噴霧干燥而成。

糙皮側耳(Pleurotus ostreatus)B1:購自遼寧省大連市菌種研究所，由本實驗室轉接保存。

液體培養基配方(ρ，g/L):葡萄糖 20，(NH4)2SO40.5，KH2PO42，MgSO4·7H2O 0.5，維生素B10.02。

鼓泡塔反應器(BCR):有機玻璃制成的圓柱體，內徑 80 mm，高 800 mm，實際工作容積約3 L［8－9］。

1.2 實驗方法

菌種培養:將菌種由斜面接種到液體培養基中，在30℃下以150 r/min的轉速搖床培養7 d。以5 000 r/m in的轉速離心，傾去上清液，用無菌水洗滌3次，制成菌懸液作為降解堿木素實驗用的液體菌種。

堿木素的降解:在BCR中加入堿木素和菌體，每間隔一定時間取樣測定殘留堿木素濃度。

1.3 分析方法

采用干重法測定菌體質量濃度［8］;采用吸光度法測定堿木素溶液在280 nm波長下的吸光度，計算堿木素質量濃度［8］。

2 結果與討論

2.1 菌體生長動力學

本工作選用Logistic方程作為菌體生長動力學模型［10－11］，見式(1)。

式中:ρt為t時刻的菌體質量濃度，g/L;ρm為最大菌體質量濃度，g/L;k為動力學模型參數，d－1;t為反應時間，d。

對式(1)進行積分得到ρt與t的函數，見式(2)。

式中，ρ0為初始菌體質量濃度，g/L。

將式(2)轉化為線性方程，見式(3)。

根據實驗數據以ln［ρt/(ρm－ρt)］對t作圖，得到在純培養條件下的k值為0.94 d－1;在堿木素存在條件下k值為0.90 d－1。

由此得到菌體在純培養條件和堿木素存在條件下的生長動力學方程，分別見式(4)和式(5)。

菌體在純培養條件和堿木素存在條件下的生長動力學曲線分別見圖1和圖2。由圖1和圖2可見，動力學曲線較好地模擬了體系內生物量隨反應時間的變化情況。菌體在純培養條件和堿木素存在條件下生長的實驗數據與動力學曲線最大相對誤差分別為6.5%和8.5%，平均相對誤差分別為3.2%和3.4%。在純培養條件和堿木素存在條件下的最大菌體質量濃度分別為1.15 g/L和0.90 g/L，由此可見，在堿木素存在條件下糙皮側耳B1的生物量有所減少，生長速率降低。

2.2 堿木素降解動力學

堿木素質量濃度與比降解速率的關系見圖3。

圖3 堿木素質量濃度與比降解速率的關系

由圖3可見:隨堿木素初始質量濃度的增加，比降解速率先增大后減小，表明存在底物抑制現象。

堿木素降解動力學方程見式(6)。

Andrews提出的非競爭性底物抑制模型［12－13］見式(7)。

式中:v為堿木素比降解速率，h－1;vm為堿木素的最大比降解速率，h－1;ρj為堿木素質量濃度，mg/L; Ks為底物飽和常數，mg/L;Ki為底物抑制常數，mg/L。

將實驗數據以式(7)為模型進行非線性回歸后得到各模型參數。糙皮側耳B1降解堿木素的底物抑制速率方程見式(8)。

2.3 糙皮側耳B1對高濃度堿木素的降解

在菌體質量濃度為3.0 g/L、反應時間為4 d的條件下，糙皮側耳B1對高初始質量濃度堿木素的降解情況見圖4。由圖4可見:隨堿木素初始質量濃度的升高，降解率逐漸下降;當堿木素初始質量濃度為3 000 mg/L時，降解率為55%。由此可見，糙皮側耳B1可以降解高濃度堿木素，在實際生產中，對于高濃度的堿木素可不經稀釋而直接使用糙皮側耳B1對其進行快速有效的預處理。

3 結論

a)采用糙皮側耳B1降解堿木素。建立了糙皮側耳B1在純培養條件和堿木素存在條件下的生長動力學方程，分別為ρt=0.01e0.94t/［1－0.008 7(1－e0.94t)］和ρt=0.01e0.90t/［1－0.011 1(1－e0.90t)］，該模型較好地模擬了體系中生物量的變化，平均相對誤差分別為3.2%和3.4%。

b)糙皮側耳B1對低濃度堿木素的降解存在底物抑制現象，其底物抑制動力學方程為v=1.46/ (1+36.7/ρj+ρj/308.30)，實驗數據與該動力學方程能較好地擬合，為進一步放大實驗和工業化生產提供了參考依據。

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Kinetics Study on Degradation of Alkali Lignin by Pleurotus Ostreatus

Zhao Lihong，Sun Hongjun

(College of Civil Engineering and Architecture，Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning 121001，China)

The degradation kinetics of alkali lignin by Pleurotus ostreatus B1(a kind of white-rot fungi)was studied.The grow th kinetic model of Pleurotus ostreatus under the conditions of pure cultivation and cultivation with alkali lignin existence was established based on Logistic equation.The parameters of the model are 0.94 d－1and 0.90 d－1.The changes of biomass in the system can be preferably simulated with thismodel，and the average relative errors are 3.2%and 3.4%respectively.The substrate has an inhibition effect on the degradation of low concentration alkali lignin by Pleurotus ostreatus B1.The substrate inhibition kinetic modelwas obtained.Themaximum specific degradation rate of alkali lignin is 1.46 h－1，the substrate saturation constant is 36.7 mg/L，and the substrate inhibition constant is 308.30 mg/L.

kinetics;model;alkali lignin;Pleurotus ostreatus;white-rot fungi;degradation

X703.1

A

1006－1878(2011)03－0202－04

2010－10－24;

2010－12－21。

趙麗紅(1974—)，女，遼寧省錦州市人，博士，副教授，研究方向為環境污染治理。電話 18904162944，電郵zhaolh_2003@sina.com。

住房和城鄉建設部2010年科學技術項目計劃研究開發項目(2010－K7－8)。

(編輯 王 馨)