磁粉投加對(duì)好氧反硝化細(xì)菌效能的影響

楊基先，孫靜文，馬 放，王 強(qiáng)

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱;2.黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，150056哈爾濱)

近40年來(lái)，國(guó)內(nèi)外將磁技術(shù)大量應(yīng)用到實(shí)際水處理［1-2］中.在多種磁作用方式中，磁粉價(jià)廉易得、操作方便，同時(shí)具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，能夠使水分子及水中溶解的污染物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［3］，對(duì)多種物理和化學(xué)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生一定的影響［4-7］.同時(shí)，磁粉的微弱磁場(chǎng)會(huì)使微生物的活性及代謝發(fā)生一系列的變化［8-12］.任月明［13］等在SBR反應(yīng)器中投加修飾過(guò)的納米磁粉懸浮液并利用外加磁場(chǎng)快速分離處理后的磁性泥水混合液，發(fā)現(xiàn)磁粉活性污泥馴化成熟時(shí)間短，污泥性質(zhì)和處理能力及抗沖擊負(fù)荷能力明顯提高.Yavuz［14］等用磁性聚苯乙烯顆粒作為微生物的載體，用磁場(chǎng)生物流化床來(lái)處理模擬污水，發(fā)現(xiàn)有磁場(chǎng)的流化床內(nèi)的生物膜比對(duì)照的無(wú)磁場(chǎng)流化床的生物膜更薄，但結(jié)構(gòu)更致密且活性更高，水處理效率可提升26%.

為了進(jìn)一步提高好氧反硝化的效能，將磁粉投入培養(yǎng)基對(duì)好氧反硝化細(xì)菌進(jìn)行作用，考察磁粉對(duì)硝氮去除效能和酶活性的影響，為好氧反硝化微生物的代謝規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為好氧反硝化脫氮工藝的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 菌種

采用城市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保藏的高效好氧反硝化細(xì)菌T13(Pseudomonas sp．)．

1.2 培養(yǎng)基

采用DM［15］培養(yǎng)基作為硝酸鹽電子受體供試培養(yǎng)基，組成見(jiàn)表1.

表1 DM培養(yǎng)基組成g·L-1

1.3 磁粉

試驗(yàn)用磁粉為分析純微磁性黑色粉末狀，化學(xué)成分為Fe3O4，粒徑小于10 μm.磁粉每次使用前在磁場(chǎng)中預(yù)磁化.

1.4 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)備7個(gè)規(guī)格相同的250 mL三角瓶，每瓶?jī)?nèi)加入90 mLDM培養(yǎng)基，121℃滅菌20 min后接入10 mLT13種子液.接種后立即投入已磁化的磁粉.磁粉投加量為0.5～3.0 g/L，0.5 g/L為一個(gè)質(zhì)量濃度梯度.將7個(gè)三角瓶放入搖床內(nèi)，在30℃、120 r/min條件下培養(yǎng)24 h.

2 結(jié)果與討論

培養(yǎng)24 h后對(duì)T13的OD、硝氮去除效果、脫氫酶活性等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定.

2.1 磁粉投加量對(duì)T13生長(zhǎng)量的影響

投入不同量磁粉后培養(yǎng)24 h，T13菌株的生長(zhǎng)吸光度見(jiàn)圖1.

圖1 磁粉投加量對(duì)T13生長(zhǎng)量的影響

由圖1可見(jiàn)，磁粉對(duì)T13的生長(zhǎng)量有促進(jìn)作用.菌量隨著投加量的提高而增加，當(dāng)磁粉投加量達(dá)到一定值后T13生長(zhǎng)量趨于穩(wěn)定.投加量在0.5～2.0 g/L時(shí)，隨著磁粉投加量逐漸提高，T13的生物量從0.976增加到1.043，與投加量呈正相關(guān).投磁粉后T13生長(zhǎng)量均有所提高.

2.2 磁粉投加量對(duì)T13脫氮能力的影響

T13是實(shí)驗(yàn)室保藏的高效脫氮菌種.在投加不同量磁粉培養(yǎng)24 h后T13硝氮去除率的變化如圖2.

圖2 磁粉投加量對(duì)T13硝氮去除率的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著磁粉投加量的提高，硝氮去除率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì).投加量由0.5 g/L提高至2.0 g/L時(shí)，磁粉對(duì)T13硝氮去除效能的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng);投加量在2.5 g/L及以下時(shí)，硝氮去除率平均在93%以上.從2.5 g/L開(kāi)始，隨著投加量繼續(xù)增加，磁粉的促進(jìn)作用逐漸減弱.投加量為2.0 g/L時(shí)，硝氮去除率最高為100%，硝氮24 h去除量較未加磁粉時(shí)提高了12.61 mg/L.

2.3 磁粉投加量對(duì)T13酶活性的影響

以脫氫酶活性檢測(cè)［16］為代表考察不同磁粉投量對(duì)菌株T13內(nèi)酶活性的影響，測(cè)量前將菌液濃度調(diào)節(jié)至相同.磁粉投加量對(duì)T13脫氫酶活性的影響見(jiàn)圖3.

圖3 磁粉投加量對(duì)脫氫酶活性的影響

由圖3可見(jiàn)，投入不同量磁粉后，T13的脫氫酶活性存在顯著差異.隨著投加量的增加，T13的脫氫酶活性呈現(xiàn)先上升后下降的變化.當(dāng)磁粉投加量在0.5～2.0 g/L時(shí)，T13的脫氫酶活性隨投加量增加而逐漸提高.隨著磁粉投加量的繼續(xù)增加，磁粉對(duì)T13的脫氫酶活性的促進(jìn)作用逐漸減弱.在2.5 g/L及以下時(shí)，磁粉均表現(xiàn)促進(jìn)作用.投加量為3.0 g/L時(shí)，磁粉表現(xiàn)出一定抑制作用.在投加量為2.0 g/L時(shí)磁粉對(duì)脫氫酶活性的促進(jìn)作用最大，脫氫酶活性為73.9 μg/(mL·h)，是未加磁粉的2.81倍.

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁粉對(duì)T13硝氮去除速率提高有顯著作用.微生物的新陳代謝是由酶催化進(jìn)行的，酶的變化直接影響微生物的代謝.供試的DM培養(yǎng)基內(nèi)底物質(zhì)量濃度相同，且磁粉的磁場(chǎng)極微弱，不會(huì)誘發(fā)T13的基因突變，因此，酶量的變化不是T13去除效能出現(xiàn)差異的主要原因.磁粉產(chǎn)生微弱而無(wú)序的磁場(chǎng)，易影響微生物體內(nèi)的電子傳遞和化學(xué)鍵的性質(zhì)，從而影響酶蛋白活性中心的構(gòu)象，酶的活性發(fā)生改變.結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果和磁作用理論推斷磁粉對(duì)T13的促進(jìn)作用是由磁粉產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)影響了酶的活性而引起的.脫氫酶是呼吸鏈的主干酶系，釋放出能量可以用于生物合成和維持細(xì)胞的生命活動(dòng)，能反映生物體的活性狀態(tài)，大多數(shù)脫氫酶都含有由非血紅素鐵和酸不穩(wěn)定硫組成的鐵硫簇性氧化還原中心，常見(jiàn)形式有FS、F2S2和F4S43種空間構(gòu)象.磁作用可通過(guò)改變鐵硫鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角來(lái)影響鐵硫中心的構(gòu)象，進(jìn)而影響脫氫酶內(nèi)鐵硫蛋白的活性，使T13的脫氫酶活性提高，加快代謝速度，提高了對(duì)T13硝氮的去除效率.

3 結(jié)論

1)通過(guò)比較投加不同量磁粉T13的生長(zhǎng)變化，投磁粉后T13的生長(zhǎng)量均有所提高.

2)T13的硝氮去除率和脫氫酶活性均隨磁粉投加量的增加均呈先升后降的趨勢(shì).

3)2.0 g/L為最適磁粉投加量，在此條件下硝氮去除率和脫氫酶活性均獲得最大值.

4)磁粉通過(guò)影響好氧反硝化細(xì)菌T13的酶活性促進(jìn)T13對(duì)硝氮的去除.一定量的磁粉有利于促進(jìn)T13高效脫氮.將磁粉應(yīng)用于污水處理中，對(duì)新型脫氮工藝的開(kāi)發(fā)及污泥減量具有積極意義.

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