光合細菌處理苝系染料廢水制備絮凝性菌體蛋白的研究

韓惠穎，李 良，翟宇晴

（沈陽工業大學 石油化工學院，遼寧 遼陽 111003）

隨著染料行業規模逐漸擴大，產生了大量的染料廢水[1]，染料廢水已成為我國工業中重點污染源之一。在生產和使用過程中大約有10%～20%的染料會直接隨廢水進入環境中[2]。染料廢水成分復雜，含有染料、染料中間體、酸、堿、副產品、有機物等，色度大，濃度高，COD高[3]。

染料廢水的處理過程較為復雜，通常采用物理化學法和生物法。可以通過吸收劑吸附、絮凝法沉淀過濾和膜分離技術對水中污染物進行分離去除，也可以采用光催化氧化法、臭氧氧化法、超臨界水氧化法氧化降解無法自然分解的有機物[4]，進而完成廢水的處理。對于苝系染料廢水，可選用微波強化膨潤土進行處理[5]。

本文選用光合細菌對苝系染料廢水進行處理，是一種新型的高效處理染料廢水的方法。光合細菌在很久前就已經在地球上存在了，是一類具有原始光能合成體系的原核生物[6-8]，菌體自身沒有毒，且含有多種營養物質和生理活性物質，能夠在高濃度有機物的環境和較惡劣的環境下有效地處理有機廢水[9]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉、醋酸鈉、碳酸鈉、硫酸、茚三酮、α萘酚、苯酚、碳酸鈣、硫酸銅、硫酸鉀、氫氧化鈉、硼酸、乙醇、酚酞、甲基橙、甲基紅、次甲基藍等均為分析純試劑；微量元素為天然土壤浸出液；紅糖。

生化培養箱、高壓滅菌釜、電熱恒溫干燥箱、凱式定氮儀、VIS-7220G 可見分光光度計（配1 cm 玻璃比色皿）、紅外光譜儀。

1.2 廢水和菌種來源

廢水來源：遼陽市某染料廠；菌種來源：自購沼澤紅假單胞菌（液態）。

1.3 實驗方法

1.3.1 預處理方法

用碳酸鹽（碳酸鈉、碳酸鈣等）對苝系染料廢水進行pH調節，pH為7.5～8.0。

1.3.2 菌種的馴化及生長曲線的繪制

（1）基礎液體培養基

NH4Cl 1.0 g/L，MgSO41.0 g/L，K2HPO40.5 g/L，CaCl21.0 g/L，NaCl 1.0 g/L，紅糖1.0 g/L，土壤浸出液6.0 mL。

（2）馴化

取廢水和自來水按一定比例進行混合，總體積為1 L，用碳酸鹽控制pH為7.0～8.5，投加適量的基礎液體培養基，混合均勻。接種菌液20 mL，在室溫和一定的光照條件下，定期取樣測量光密度OD600。以時間為橫坐標，光密度為縱坐標，繪制光合細菌生長曲線，從而確定絮凝性菌體蛋白收獲時間。

1.3.3 條件實驗

取廢水1 L，用碳酸鹽控制pH 在7.0～8.5，投加適量的基礎液體培養基，混合均勻。接種菌液，在室溫和一定的光照條件下，培養時間定為1.3.2 確定的時間。通過離心方法分離菌體，干燥后，稱重，確定絮凝性菌體蛋白產率。然后分析蛋白含量并進行紅外光譜表征。

1.3.4 平行實驗

根據1.3.3條件實驗結果進行5組實驗，考查條件實驗結果的重現性。

1.3.5 喂養試驗

將得到的絮凝性菌體蛋白用于熱帶魚的喂養，分為兩組進行實驗，分別為對照組和實驗組。每組熱帶魚各20條，對照組投加魚餌料進行喂養，實驗組投加菌體蛋白進行喂養，每兩天投加一次，觀察其生長情況及死亡率。

1.4 分析方法

在分光光度計上于600 nm 處測量光密度OD600；產物采用紅外光譜表征。產物中，蛋白質分析方法：茚三酮反應[10]、雙縮脲試驗、凱氏定氮法[11-12]；糖類分析方法：莫氏試驗[13-14]、斐林試驗[15]、苯酚-硫酸試驗[16]。

2 結果與討論

2.1 絮凝劑表征

2.1.1 產物的紅外光譜

產物用去離子水漂洗，離心分離，于105℃干燥3 h，進行紅外光譜分析，結果見圖1。

圖1 產物紅外光譜

根據圖1所示，3 340 cm-1處為羥基吸收峰；2 840～2 955 cm-1范圍內的3個峰為飽和碳氫結構，1 640 cm-1、1 545 cm-1處為酰胺結構，1 460 cm-1處為飽和碳氫彎曲振動，1 020 cm-1處為碳氧鍵伸縮振動，869 cm-1處的吸收峰說明具有β-糖苷鍵；920 cm-1處為吡喃環末端次甲基的橫搖振動。綜上所述，該物質可能為糖蛋白。

2.1.2 定性定量分析

產物用去離子水漂洗，離心分離，于105℃干燥3 h，然后進行蛋白質和糖類的定性定量分析，結果見表1。

2.2 馴化與生長曲線繪制

按照1.3.2進行實驗，所得結果見圖2。

圖2 光合細菌馴化過程生長曲線

由圖2可以看出，經過馴化的光合細菌在苝系染料廢水中生長速度較快，更快到達對數期，進入穩定期。第五次馴化時，廢水不經稀釋，經過馴化后的光合細菌可以處理苝系廢水，在5天后達到靜止期，8天后光密度值逐漸下降，10天后光密度趨于穩定，可以確定菌體收獲時間為10天。

2.3 碳酸鈣用量的影響

按照1.3.3 進行實驗，即取廢水1 L，用碳酸鈉控制pH 在7.5，加入不同量的碳酸鈣，6 mL 基礎液體培養基，混合均勻。接種菌液，在室溫和一定的光照條件下，培養時間定為1.3.2 確定的時間，以絮體干重為控制指標，所得結果見圖3。

圖3 碳酸鈣用量的影響

本實驗中，投加碳酸鈉的作用是中和廢水中的酸，生成碳酸氫根，碳酸氫根再水解成碳酸，反應式如下：

水解生成的碳酸供給光合細菌進行光合作用，氫氧根控制pH為堿性。加入碳酸鈣的作用是固定光合細菌呼吸作用生成的二氧化碳，反應式如下：

生成的Ca2+同時輔助絮體沉淀。

由圖3 可以看出，碳酸鈣加入量超過0.8 g 以后，絮體收率趨于平穩，因此本實驗取碳酸鈣最適加入量為0.8 g。同時也可以看出，碳酸鈣加入量對COD 去除率影響不大。

2.4 基礎營養液投加量對產物收率的影響

按照1.3.3 進行實驗，即取廢水1 L，用碳酸鈉控制pH 在7.5，加入0.8 g碳酸鈣，再投不同量的基礎液體培養基，混合均勻。接種菌液，在室溫和一定的光照條件下，培養時間定為1.3.2確定的時間，以絮體干重為控制指標，所得結果見圖4。

圖4 基礎營養液投加量的影響

從圖4 可以看出，隨著基礎營養液投加量的增加，絮體干重和COD去除率逐漸增加，在加入量為6 mL后，增加量趨于平穩，因此本實驗選取最適基礎營養液投加量為6mL。

2.5 平行實驗

按照1.3.4 進行實驗，即取廢水1 L，用碳酸鈉控制pH 在7.5，加入0.8 g 碳酸鈣，再加入6 mL 基礎液體培養基，混合均勻。接種菌液，在室溫和一定的光照條件下，培養時間為10 天，以絮體干重為控制指標，所得結果見表2。

表2 平行實驗結果

實驗結果證明本實驗所選條件合理可行。

2.6 應用實驗

按1.3.5進行實驗，結果見表3。

表3 應用實驗結果

如表3所示，采用光合細菌菌體蛋白作為飼料喂養熱帶魚的方法是可行的，且對照組和實驗組魚死亡的原因多因換水及環境不適應所導致。

3 結論

（1）通過在苝系染料廢水中進行光合細菌的馴化，繪制了生長曲線，確定產物收獲最佳時間為10天。

（2）產物紅外分析結果為糖蛋白，蛋白含量為24.20%，多糖含量為13.18%。

（3）取廢水1 L，用碳酸鈉控制pH 在7.5，加入0.8 g碳酸鈣，再加入6 mL基礎液體培養基，混合均勻。接種菌液，在室溫和一定的光照條件下，培養時間為10天，以絮體干重為控制指標，得到的菌體用于熱帶魚的喂養。

（4）光合細菌處理苝系染料廢水，利用其生物學特點，發揮其強大的分解轉化能力，實現了苝系染料廢水的脫色及資源化處理，同時還獲得了絮凝性菌體蛋白以資源化利用，符合可持續發展的要求。

（5）建議收獲菌體蛋白的廢水可用作回流稀釋水，循環使用，真正做到了資源利用最大化。