盧海鳳，張光明，何春華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱，zgm200@126.com)

自20世紀(jì)60年代日本科學(xué)家M.Kobayashi等發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌(PSB)具有能夠凈化水質(zhì)的作用以來，光合細(xì)菌就一直受到關(guān)注[1].光合細(xì)菌是一大類在厭氧條件下進(jìn)行不放氧的光合作用細(xì)菌的總稱，其分布廣泛，種類繁多.文獻(xiàn)[2－3]將其劃分為綠硫細(xì)菌、紅硫細(xì)菌、紅螺菌3科.其中紅螺菌能在厭氧光照的條件下以低級脂肪酸、多種二羧酸、醇類、糖類、芳香族化合物等低分子有機(jī)物及二氧化碳等作為光合作用的電子供體進(jìn)行光能異養(yǎng)生長，而且能在微氧黑暗條件下，以上述有機(jī)物為呼吸基質(zhì)，進(jìn)行好氧異養(yǎng)生長.另外，光合細(xì)菌還具有繁殖速度快(優(yōu)于厭氧法)、能耗低(優(yōu)于好氧法)和無需污泥處置[3]等優(yōu)點在污水治理領(lǐng)域逐步得到推廣應(yīng)用[4－10].光合細(xì)菌菌體無毒、含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、多種B族維生素、泛酸、輔酶Q等生理活性物質(zhì)以及菌綠素、類胡蘿卜素等天然色素，具有很強(qiáng)的回收價值[11－16].基于光合細(xì)菌在水處理和資源回收等方面的優(yōu)勢，對從土壤中富集分離出的一株新型光合細(xì)菌進(jìn)行了生理生化以及菌種鑒定，并初步探討了其對大豆加工廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)在自然光微氧條件下，該菌株對大豆加工廢水的COD具有較好的降解作用，比傳統(tǒng)的光照厭氧及黑暗好氧條件下利用PSB處理高濃度有機(jī)廢水在工程上的應(yīng)用更具有現(xiàn)實意義.

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備

主要實驗設(shè)備見表1.

表1 主要實驗設(shè)備

1.2 實驗方法

1.2.1 菌種形態(tài)及生理生化性質(zhì)鑒定實驗

1)菌種單、復(fù)染色試驗:參考文獻(xiàn)[17];

2)原子力顯微鏡掃描:將原始菌液1 000 r/min離心10 min，取上清液3 000 r/min離心10 min，棄上清沉淀部分加入pH為7.2的磷酸鹽緩沖液2 mL，洗滌離心10 min，如上洗滌3～5次即可.將洗滌好的菌體加入磷酸鹽緩沖液少許并稀釋到合適的質(zhì)量濃度進(jìn)行原子力顯微拍照;

3)菌種的碳源利用試驗:參考文獻(xiàn)[17];

4)菌種吸收峰點試驗:將菌液用無菌水稀釋至OD660=1.000左右，將該菌液在紫外分光光度計上100～1 000 nm波長內(nèi)進(jìn)行掃描，記錄峰點;

5)Sherlock MIS鑒定試驗:詳見sherlock MIS系統(tǒng)操作說明書;

6)光密度OD660:國標(biāo)法，詳見文獻(xiàn)[18].

1.2.2 處理大豆加工廢水條件及效果實驗

1)廢水:采用人工配水方式，用豆?jié){配制初始COD 為8 000～12 000 mg·L－1的污水;處理溫度為26～28℃;

2)投菌量:采用稱重法設(shè)置投菌量(干質(zhì)量)為8、40、160、400、960、1 920 mg·L－1的 6 個處理;

3)光照及氧氣條件:光照厭氧(光強(qiáng)為1 000 lx)、自然光微氧(保持溶解氧 DO＜0.5 mg·L－1)以及黑暗好氧(保持DO介于2.0～4.0 mg·L－1)3個處理，投菌量為120 mg/L;

4)COD:國標(biāo)法，詳見文獻(xiàn)[18];

5.統(tǒng)一規(guī)范，把好項目資料關(guān)。規(guī)范基礎(chǔ)工作是審計項目順利開展的前提和保障，審計組長在強(qiáng)化審計項目質(zhì)量的同時，要擯棄“重成果、輕基礎(chǔ)”的錯誤導(dǎo)向，按照“規(guī)范、全面、標(biāo)準(zhǔn)”的要求，實行審計基礎(chǔ)工作標(biāo)準(zhǔn)化管理，保證審計資料歸檔的及時性、準(zhǔn)確性、完整性，促進(jìn)審計質(zhì)量和工作效率的提高。

5)生物量采用烘干法，即MLSS測定方法，詳見文獻(xiàn)[18].

2 結(jié)果與討論

2.1 菌種及生理生化性質(zhì)鑒定

2.1.1 光合細(xì)菌Z08單染色試驗及原子力掃描鏡試驗

由圖1，2可知，該菌的細(xì)菌菌體為球狀，單個細(xì)菌的直徑約為0.3～1.0 μm.光合細(xì)菌Z08復(fù)染色過程中的顏色變化為:紫色→紅色→無色→紫色，故Z08為G－.

圖1 100倍光學(xué)顯微鏡下Z08菌體圖像

圖2 光合細(xì)菌Z08的原子力鏡掃描照片

2.1.2 光合細(xì)菌Z08的碳源利用試驗

由表2可知，該菌能夠在以乙醇、果糖、葡萄糖、甘油、甘露糖、甘露醇、山梨醇等小分子有機(jī)物為碳源的培養(yǎng)基中生長，說明該菌能夠利用此類有機(jī)物進(jìn)行新陳代謝;而不能利用丙酸鈉、硫代硫酸鈉、甲基纖維素、油酸鈉及蛋白質(zhì)作為碳源進(jìn)行代謝.

2.1.3 光合細(xì)菌Z08的菌液特征吸收峰點試驗

2.1.4 光合細(xì)菌菌種鑒定

經(jīng)微生物鑒定自動化系統(tǒng)Sherlock MicrobialIdentification System(MIS)鑒定，該菌種為球形紅單假單胞菌:Rhodobacter－sphaeroides(Rhodopseudomonas sphaeroides)，MIS圖譜見圖3，對照的標(biāo)準(zhǔn)圖譜來源于美國MIDI公司，相似度為0.838(相似度＞0.7鑒定可靠).

表2 Z08的碳源利用情況

表3 菌液特征吸收峰點

圖3 GH－1脂肪酸－IC法鑒定圖譜

圖4為該菌株16srDNA序列鑒定結(jié)果，根據(jù)測序結(jié)果分析:該菌株16S rDNA序列與Rhodobacter sphaeroides KD131 (CP001151)、Rhodobacter sphaeroides ATCC 17029(CP00578)、Rhodobacter sphaeroides IFO 12203(D16425)等相似性為100%.可以確定其分類地位屬于Rhodobacter sphaeroides.

2.2 處理大豆加工廢水條件優(yōu)化及效果

2.2.1 投菌量

如圖5所示，各處理組的COD去除率隨處理時間的增加逐漸升高，前72 h增加最快，72 h后數(shù)值變化趨于平緩，逐漸達(dá)極限值.投菌量為160與400 mg·L－1的處理組在第72小時時，COD的降解率分別達(dá)86.8%與81.9%，在96 h時，上述數(shù)值分別達(dá)93.7%與90.5%;菌種添加量為960與1 920 mg·L－1的處理組中，前96 h時的COD去除率均小于菌種投加量為160與400 mg·L－1的組合，而在第96小時以后，其去除率數(shù)值與160和400 mg·L－1的處理組相差不大;菌種添加量為8、40與80 mg·L－1的處理組COD去除率在每個時間點上均小于其他菌種添加量≥160 mg·L－1的4個處理組.綜合考慮每個處理組的COD降解效果、菌種添加量的經(jīng)濟(jì)性與處理時間的長短可以得出，利用Z08處理大豆加工廢水最佳的投菌量為160～400 mg·L－1，處理時間為72 h.

圖4 球形紅假單胞菌(Rhodopseudomonas sphaeroides)進(jìn)化樹

圖5 大豆加工廢水中COD去除率隨投菌量變化

2.2.2 光照氧氣

從圖6中可以看出，各處理組的COD值隨處理時間的增加呈下降趨勢，且同一時間點上，各組COD去除率的趨勢為黑暗好氧＞自然光微氧＞光照厭氧;在前72 h內(nèi)，各組COD值下降最快，72 h后各組COD值變化相對平緩，逐漸達(dá)到處理極限值;在第72小時時，各組COD去除率相差不大，而在第168小時時，各組對COD的去除率為:黑暗好氧(95.1%)＞自然光微氧(91.9%)＞光照厭氧(83.4%).另外，在第72小時時，各處理組的菌體產(chǎn)量分別為:自然光微氧(2 125 mg·L－1)＞光照厭氧(1 350 mg·L－1)＞黑暗好氧(862.5 mg·L－1)，綜合處理效果、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性以及菌體產(chǎn)量，自然光微氧為最佳處理條件.從COD去除效果的角度考慮，自然光微氧條件下對污水中COD的去除效果與黑暗好氧條件下的相差不大，且優(yōu)于光照厭氧條件.而高濃度有機(jī)廢水由于透光性差，氧氣傳質(zhì)差，需要通過設(shè)置高光強(qiáng)的照明器以及高強(qiáng)度的曝氣來分別控制污水處理過程中的嚴(yán)格光照厭氧與黑暗好氧條件，因此，相比之下，在自然光微氧條件下的PSB處理高濃度有機(jī)廢水工藝在工程上的應(yīng)用更具有現(xiàn)實意義.

圖6 大豆廢水中COD質(zhì)量濃度隨光照氧氣組合變化

3 結(jié)論

1)從土壤中富集分離的菌株Z08經(jīng)Sherlock MIS系統(tǒng)鑒定及16S rDNA序列測定，判斷其為Rhodobacter sphaeroides，菌體為球狀，單個細(xì)菌的直徑約為0.3～1.0 μm，屬于革蘭氏陰性菌.Z08能夠在以乙醇、果糖、葡萄糖、甘油、甘露糖、甘露醇、山梨醇等小分子有機(jī)物為碳源的培養(yǎng)基中生長，而不能利用丙酸鈉、硫代硫酸鈉、甲基纖維素、油酸鈉及蛋白質(zhì)作為碳源進(jìn)行代謝.

2)處理溫度為26～28℃條件下，投菌量為160～400 mg·L－1時，Z08對大豆加工廢水 COD的去除率最佳.

3)在不同的光照氧氣組合條件中，自然光微氧組合處理條件最佳，第72小時時對COD的去除率達(dá)73.5%，菌體產(chǎn)量與光照厭氧及黑暗好氧兩個處理組相比達(dá)到最大，為2 125 mg·L－1.

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