氧化還原介體厭氧催化酸性紅B 生物脫色研究

李芳陳一寧李盈周曉飛

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偶氮染料因具有色度高、成分復雜、可生化性差的特點，成為染料廢水處理研究的熱點和難點[1,2]。目前，偶氮染料廢水脫色的方法主要有活性碳吸附法、膜分離法、混凝法、Fenton試劑法、電化學法、生物法等，其中厭氧生物處理因具有脫色效果好、運行費用低等特點，應用最為廣泛[3]。但厭氧階段反應速度緩慢也成為制約其發展的關鍵所在。近年來研究表明，通過投加氧化還原介體可使偶氮染料生物脫色反應速率增加一至幾個數量級，間接提高染料廢水的脫色速率[4,5]。有關醌介體催化偶氮染料生物降解途徑的報道較少。因此，本研究考察了四種醌介體對酸性紅B生物脫色的催化效果，初步探討了醌介體催化酸性紅B生物脫色的機理，以期為實際應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗藥品

1.1.1 LB培養基：酵母粉 5.0 g·L-1，胰蛋白胨 10.0 g·L-1，NaCl5.0 g·L-1。

1.1.2 實驗所用醌介體：蒽醌-1-磺酸鈉(α-AQS)、蒽醌-2-磺酸鈉 (AQS)、蒽醌-2,6-二磺酸鈉 (AQDS)和蒽醌-2,7-二磺酸鈉(2,7-AQDS)，均為分析純。

1.2 醌介體加速酸性紅B生物脫色實驗

取對數生長期條件下的實驗菌，接種到LB培養基中進行好氧培養，待菌群生長至OD660nm值為0.25時，轉入密封血清瓶，加入酸性紅B，濃度為150mg/L，在培養箱進行厭氧培養，靜置無光照，定時取樣測定。

1.3 分析項目及方法

1.3.1 酸性紅B濃度的測定：采用分光光度法，其可見分光區特征吸收峰的波長為514nm（上海光譜公司：722E可見分光光度計）。

1.3.2 酸性紅B生物降解過程UV掃描譜圖：設定波長掃描范圍為200～600nm，掃描時間為反應進行0、2、4h。（上海天美科學儀器有限公司：UV2600紫外-可見分光光度計）

2 結果與討論

2.1 四種醌介體對酸性紅B生物脫色效率的影響

以實驗設定條件為基礎，進行醌介體對酸性紅B生物脫色實驗。脫色過程中定時取樣分析（1h），結果如圖1所示。

圖1 四種醌介體對酸性紅B的降解對比

由圖1可看出：①四種醌介體均對酸性紅B厭氧生物脫色具有加速作用，其加速可能的原因：實驗菌株在降解酸性紅B的過程中，可進行醌呼吸將電子傳遞鏈上的電子傳遞給醌介體并將其還原為氫醌，醌-氫醌間的氧化還原反應是可逆的，氫醌又可被氧化成醌并將電子傳遞給電子受體（酸性紅B），醌介體在醌呼吸菌、電子受體（酸性紅B）間起到加速電子傳遞的作用，而這種醌-氫醌氧化還原體系在生理生化過程中具有重要意義。生物體的氧化還原作用是以脫氫氧化和加氫還原的方式進行的，整個過程需在微生物體內酶的參與下完成[6]。②四種醌介體加速效果不同，加速快慢順序為：AQS＞2,7-AQDS＞AQDS＞α-AQS，催化效果存在差異原因可能在于，一方面受到醌介體化學結構活性的影響，另一方面，醌介體的投加可有效降低反應體系的氧化還原電位和酸性紅B脫色所需活化能，從而達到催化酸性紅B生物降解的效果，但四種醌介體降低程度不同，導致催化效果的差異性[7]。

2.2 AQS對酸性紅B生物脫色過程譜圖變化影響

依據2.1中實驗結果，以催化效果最佳的AQS為醌介體模型化合物，采用紫外-可見(UV)光譜法對AQS催化酸性紅B的生物脫色過程展開進一步研究，分別以0,2,4 h取樣掃描，結果如圖2所示。

圖2 AQS催化酸性紅B生物降解UV光譜圖

由圖2可看出，在0～4h過程中，514 nm處吸光度逐漸消失，即酸性紅B分子結構中的共軛發色體系即偶氮鍵已逐漸被氧化破壞，近紫外的大部分吸收峰也呈明顯下降趨勢，同時在230 nm附近的峰值保持在較為穩定的范圍內，說明以AQS為生物催化劑的苯環未被破壞，始終保持其結構的完整性，而在220nm左右的苯環不飽和共軛體系在逐漸降低。這與相關文獻[8]報道的傳統酸性紅B厭氧生物脫色過程一致，表明AQS在催化酸性紅B電解脫色的同時，并未改變其脫色降解路徑。

3 結論

3.1 四種醌介體均對酸性紅B厭氧脫色有加速作用，但催化效果不同，加速快慢順序為:AQS＞2,7-AQDS＞AQDS＞α-AQS。

3.2 AQS在催化酸性紅B生物脫色的同時，并未改變其脫色降解路徑。

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