喹啉的生物降解動(dòng)力學(xué)

16卷第7期物理化學(xué)學(xué)報VoL 16 No. 72000年7月ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICAJuly, 2000喹啉的生物降解動(dòng)力學(xué)劉佐才全向春(北京理工大學(xué)化工與材料學(xué)院,北京100081)韓利平王建龍(清華大學(xué)環(huán)境工程系,北京100084)關(guān)鍵詞:喹啉,生物降解,動(dòng)力學(xué),共基質(zhì),抑制,激活學(xué)科代碼:BO30401喹啉是一種典型的氮雜環(huán)化合物,在化工、醫藥及農藥生產(chǎn)中經(jīng)常用作溶劑和原材料,喹啉又是一種毒性大、致變性和致癌性強的物質(zhì),對人類(lèi)、水生生物及植物有著(zhù)很大的危害.因此隨著(zhù)工業(yè)廢水特別是焦化廢水的排放,使喹啉成為水中常見(jiàn)的污染物.喹啉的結構為許多人工合成化合物的基本結構,而人工合成化合物一般不易被自然界中固有的微生物識別,所以多數為難以生物降解的化合物,研究喹啉的生物降解能為研究其他人工合成化合物的生物降解提供有益的啟示人們對喹啉的降解途徑進(jìn)行了有益旳探索μ-3,對喹啉降解的動(dòng)力學(xué)也進(jìn)行了研究-,已初步確定了喹啉生物降解的途徑,并已篩選岀一些能降解喹啉的伉勢菌種.本文是在培養岀株新的降解喹啉的伉勢菌種的基礎上,對其降解喹啉的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行研究.以前的研究一般停留在用單一菌種600.00降解單一基質(zhì)的階段,實(shí)際廢水一般成分復雜,我們對共基質(zhì)的生物降解也進(jìn)行了研究1實(shí)驗(1煃喹啉的降解用無(wú)機鹽培養液和一定量的純菌懸乳022040608010液菌種為 BurkholderiaPicktt.即皮氏伯克霍爾德圖1喹啉降解曲線(xiàn)圖氏菌)配成溶液,再加入喹啉,菌污泥濃度為0.9858gFig 1 Degradation curves ofL-,喹啉濃度分別為50、100、200、500和800mgL-1,取100mL上述I )quinoline 800 mg L中國煤化工置于恒溫搖床中進(jìn)行培養,溫度2)quinoline 500 mg L-CNMHG75rmin-,不同時(shí)間取樣在高速離心機12000rmin-1下離心10min,分析4 )quinoline 100 mg L-I測量上層清液中喹啉的含量,結果見(jiàn)圖1.片數據到切樓200到修福,聯(lián)人劉練才6632瑲喹啉與其他基質(zhì)的降解.分別配制不同濃度的喹啉與苯酚,喹啉與吡啶,喹啉與亞硝酸鹽,喹啉與硝酸鹽,喹啉與氨離子共基質(zhì)的溶液,再加λ上述純菌懸浮液.菌污泥濃度同上.分別取了3mL上述溶液放入瓦氏呼吸儀中,溫度為25±1℃,震蕩頻率85rmin-,溫度穩定后,調節測壓管液面初始高度,不同時(shí)間記錄測壓管液面數值,得到喹啉與其他物質(zhì)的代謝圖2-5(Oc為比累積耗氧量)三圖2喹啉與苯酚代謝圖圖3喹啉與吡啶代謝圖Fig 2 Metabolic curves of quinolineFig 3 Metabolic curves of quinoline2)200 mg L- quinolineL4)200 mg L- quinoline +50 mg L- phenol4)200 mg L- quinoline +50 mg L- pyridine5)100 mg L-phenol5)200 mg L- quinoline+100 mg L- pyridine圖4喹啉與硝酸根、亞硝酸根代謝圖圖5喹啉與銨離子代謝圖Fig 4 Metabolic curves of quinolineFig 5 Metabolic curves of quinolinepirate radical and nitriteand ammonium2)200 mg L quinoline中國煤化工oine+20 mg L-I Nh3)200 mg L quinoline +50 mg L- NO2CN MH Goline +40 mg L-INH1)200 mg L- quinoline +100 mg L- NO25)200 mg L- quinoline +80 mg L-NHi5)200 mg L quinoline +100 mg L"NO36)200 mg L- quinoline +160 mg L- NHActa Phys.-Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao )20003制不同濃度的喹啉、葡萄糖、純菌混合液,菌污泥濃度同前.分別取100mL溶液于具塞錐形瓶中,置于恒溫搖床中培養,溫度28±1℃,震蕩頻率175rmin-1.不同時(shí)間取樣,離心分離后取上部清液進(jìn)行測試,結果如圖4煃喹啉的濃度測量采用HP1050高效液相色譜儀.葡萄糖濃度的測定采用荷蘭BERK公司的全自動(dòng)化生化測試儀圖6喹啉與葡萄糖降解曲線(xiàn)Fig 6 degradation curve of2結果與討論quinoline and grape sugar根據圖1,假設在實(shí)驗開(kāi)始后的半小時(shí)內,菌量變1}qe3!εgu化不大,近為常數、喹啉的降解符合線(xiàn)性關(guān)系則喹啉的2)50 mg L quinoline +34 mg L- garpe sugar3)50 mg L- quinoline +60 mg L- garpe sugar初始降解速率可由下式求出:4 )50 mg L-quinoline +80 mg L garpe sugar6)50 mg L- quinoline +110 mg L- garpe sugarr為比基質(zhì)去除速率,c為底物即喹啉濃度,x為7)50 mg L微生物濃度.由此得到的不同濃度下喹啉降解的比基質(zhì)去除速率如圖7所示.濃度很低時(shí),比基質(zhì)去除速率隨喹啉濃度的升高,達到某一極大值后,開(kāi)始下降,這就表明喹啉的降解符合抑制動(dòng)力學(xué) Haldane方程k采用直線(xiàn)化方法,以1/r對1/c作圖,得到一直線(xiàn),從直線(xiàn)的斜率和截距求得動(dòng)力學(xué)參數0.4395h-,飽和常數K=166.7mgL-,通過(guò)方差分圖7計算曲線(xiàn)與實(shí)際曲線(xiàn)析得到抑制常數K=650mgL-,因而得出皮氏伯克Fig 7 calculated and霍爾德氏菌降解喹啉的動(dòng)力學(xué)方程為experimental curves0.43952)experimental curve1+166.7.cC該菌降解喹啉的擬合曲線(xiàn)與實(shí)際降解曲線(xiàn)如圖τ所示,可見(jiàn)二者符合得很好.從圖2可知喹啉單基質(zhì)、喹啉苯酚共基質(zhì)時(shí),累積耗氧量曲線(xiàn)明顯高于內源呼吸線(xiàn),說(shuō)明基質(zhì)巳被微生物氧化利用,而100mgL-苯酚單基質(zhì)的耗氧量曲線(xiàn)高于共基質(zhì)的曲線(xiàn),說(shuō)明苯酚的存在使微生物代謝喹啉的活性受到抑制,而且苯酚濃度越大,抑制作用越大.苯酚濃度為20mg·L',最大抑制率為69%,濃度為50mgL,最大抑制率中國煤化工圖3表明吡啶對B.P.sp.菌生物降解喹啉也HCNMH③度越大,抑制作用越強,濃度為30、50、100mgL-,最大扣制率分別為43%、68%、83%,說(shuō)明抑制作用稍遜于苯酚.吡啶單基質(zhì)的耗氧量趨于零,說(shuō)明吡啶與喹啉雖有相似的氮雜環(huán)結構,但在實(shí)驗的8.5h內,這株菌仍不能將吡啶氧化分解Acta Phys. -Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao)2000665圖4說(shuō)明50mgL的NO-2對該菌活性幾乎無(wú)影響.而100mgL濃度的NO-2,初始4.5h,菌體活性有所增強,之后菌體活性比喹啉單基時(shí)有所減弱.而該濃度的NOˉs對菌體活性影響極微,因此設計生物強化系統處理喹啉廢水時(shí),可以允許亞硝酸根旳存在.硝酸根對該菌還有激活作用.因而可與脫氮工藝相結合,利用脫氮過(guò)程產(chǎn)生旳硝酸鹽來(lái)促進(jìn)喹啉降解的速率.從圖5可知各種濃度的NH與喹啉共基質(zhì)時(shí)耗氧量曲線(xiàn)幾乎與喹啉單基質(zhì)時(shí)的耗氧量曲線(xiàn)重合,說(shuō)明NH對該菌的活性影響極小,這也說(shuō)明喹啉與脫氮綜合處理的可行性不難從圖6可看岀,皮氏純菌能夠同時(shí)將喹啉和葡萄糖氧化分解.喹啉與葡萄糖共基質(zhì)時(shí)的降解曲線(xiàn)低于喹啉單基質(zhì)時(shí)的降解曲線(xiàn),說(shuō)明葡萄糖的存在能加快喹啉降解的速率,隨著(zhù)葡萄糖濃度增加,這種激活作用増強.這是因為葡萄糖旳降解為該菌提供了可利用的碳源和能量,加快了其繁殖速度,并保持很高的活性3結論皮氏伯克霍爾德氏菌降解喹啉的動(dòng)力學(xué)行為符合 Haldane方程溁酚和吡啶對此起抑制作用洏NO3和葡萄糖,特別是葡萄糖對此起激活作用洏NO2和NH':對此基本無(wú)影響.這為實(shí)際處理含喹啉廢水提供了很好的依據,可以據此來(lái)設計廢水的綜合治理方案參考文獻1 Johanson S S, Licht D, Arvin E, et al. Appl. Microbiol Biotechnol, 1997, 47: 2922 Sutton S D, Plaller S L, Sham JR, et al. Applied and Environmental Microbiology, 1996, 62(8): 29103 Miethling R. Hecht V, Deckwer WD, et al. 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Those of nitrate and glucose are enhanced中國煤化工Keywordsquinoline. Biodegradation KineCNMHGbitionActivationReceived 1999-10-27, revised 2000-02-08, Correspondent: Liu Zuocai