出芽短梗霉處理馬鈴薯淀粉廢水*

陳潔，白林，呂亞娟，徐飛

(蘭州城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州，730070)

馬鈴薯淀粉廢水(potato starch waste，簡稱PSW)是在淀粉生產(chǎn)時排放的含有大量有機(jī)污染物的廢水，它主要含有淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)等有機(jī)物。直接排放會造成水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致水體生物窒息死亡，造成環(huán)境污染。同時淀粉廢水中的高濃度有機(jī)物正好可以為微生物的生長繁殖提供有力條件。

出芽短梗霉是一類與酵母有密切關(guān)系的真菌，屬半知菌門短梗霉屬，在自然環(huán)境中廣泛分布，通常可從植物碎片、花粉、木材、土壤中分離獲得。出芽短梗霉發(fā)酵能產(chǎn)生胞外多聚糖、酶、抗菌素、單細(xì)胞蛋白等多種產(chǎn)物，這些物質(zhì)用途非常廣泛，尤其是所產(chǎn)生的胞外多聚糖具有極佳的成膜性、成纖維性、阻氧性、可塑性、粘結(jié)性和易自然降解等許多獨(dú)特的理化和生物學(xué)特性，無毒無害，對人體無任何副作用。被廣泛地用于醫(yī)藥制造、食品包裝、水果和海產(chǎn)品保鮮、化妝品工業(yè)、煙草制造工業(yè)和農(nóng)業(yè)種子保護(hù)等眾多領(lǐng)域，是一種有極大開發(fā)價值和前景的多功能新型生物制品［1］。國內(nèi)外均有將淀粉水解或直接用馬鈴薯淀粉廢水作為碳源生產(chǎn)普魯蘭多糖的相關(guān)報道［2－4］。本研究利用出芽短梗霉對馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行生物處理，探討了菌體生長、有機(jī)物總量及COD的變化，最終實(shí)現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的雙重目的。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉廢水取自某馬鈴薯淀粉生產(chǎn)企業(yè)。

發(fā)酵液組成(g/L):淀粉廢水，KH2PO48.0，NaCl 2.0，(NH4)2SO40.6，pH 6。其他試劑均為分析純級別。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將菌液轉(zhuǎn)接到裝有培養(yǎng)液的錐形瓶中，在28℃下120 r/min培養(yǎng)，每24 h取出培養(yǎng)液測其菌體量、有機(jī)物總量和COD的值。

1.3 分析方法

1.3.1 淀粉廢水濃度的改變水平

以COD為指標(biāo)測定淀粉廢水濃度的改變水平。COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法(GB11901－1989)測定。

1.3.2 有機(jī)物總量的測定

將培養(yǎng)液過濾取清液，用乙醇沉淀24h后離心得到的固體量即有機(jī)物總量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同COD濃度的廢水對菌株生長的影響

從圖1看出，不同COD濃度的淀粉廢水中出芽短梗霉的生長周期基本相同，為120 h，此時廢水中不含淀粉，新陳代謝物——普魯蘭多糖的量最高。但是PSW的濃度不同對它們的生長過程有很大的影響，從圖1看出，48 h內(nèi)菌體在任何濃度的廢水中都會迅速生長繁殖，而48 h后4 584 mg/L與4752 mg/L 2個低濃度廢水中的菌體生長變得緩慢，而在10 780 mg/L與15 843 mg/L 2個高濃度廢水中菌體呈現(xiàn)一種持續(xù)增長的過程，在10 780 mg/L的廢水中的菌體生長對數(shù)期到72 h，在15 843 mg/L廢水中的菌體生長對數(shù)期至到120 h此后生長變的緩慢。如上所述，淀粉廢水中所含的有機(jī)物都是利于此菌生長的，濃度越高可以提供更多的碳源及其它營養(yǎng)源，菌體生長的也更旺盛。當(dāng)碳源、營養(yǎng)源消耗完，菌體的生長也變的緩慢。由此說明淀粉廢水COD值在16 000 mg/L內(nèi)均不會影響出芽短梗霉的生長。

圖1 廢水濃度對出芽短梗霉的生長曲線的影響Fig.1 Effect of waste concentration on growth of Aureobasidium pullulan

2.2 不同濃度的廢水對有機(jī)物總量的影響

馬鈴薯淀粉廢水中主要包括淀粉、蛋白質(zhì)、纖維、糖類等［5］，出芽短梗霉生長需要的關(guān)鍵營養(yǎng)碳源和氮源均可由淀粉廢水提供。菌體在在生長繁殖過程時要不斷消耗有機(jī)物，積累代謝產(chǎn)物—普魯蘭多糖。

圖2 廢水濃度對有機(jī)物總量的影響Fig.2 Effect of waste concentration on organic matter

從圖2中可以看出，隨著處理時間的增長，不同濃度的廢水有機(jī)物總量都在降低，4 584 mg/L與4 752 mg/L兩個低濃度廢水含有機(jī)物總量較少，菌體在對數(shù)期和穩(wěn)定期有機(jī)物總量的變化均較平緩。10 780 mg/L與15 843 mg/L 2個高濃度廢水中菌體細(xì)胞對數(shù)期變長，10780 mg/L內(nèi)的菌體在72 h內(nèi)由于自身繁殖生長消耗總有機(jī)量較大到72 h后進(jìn)入穩(wěn)定期，細(xì)胞數(shù)不再增加，細(xì)胞內(nèi)儲存物累計率增加，代謝產(chǎn)物也增加所以有機(jī)物總量下降趨勢變小。15 843 mg/L到96 h進(jìn)入穩(wěn)定期隨后有機(jī)物總量下降也變小。由于廢水濃度的提高生長繁殖的菌體數(shù)量增加，那么最終代謝產(chǎn)物普魯蘭多糖的量也變大。但是時間過長菌體會二次代謝將普魯蘭多糖消耗。

2.3 出芽短梗霉對廢水COD的影響

圖3中看出不同COD的淀粉廢水在出芽短梗霉的作用下，COD都會明顯降低之后就趨于平緩。但是不同濃度廢水COD下降的方式有所不同。在48 h內(nèi)，濃度為4 584 mg/L的廢水下降的幅度最大，4 752、10 780、15 843 mg/L隨著濃度增大下降趨勢變小，15 843 mg/L COD在72 h內(nèi)變化趨勢都很小。4 584 mg/L和4 752 mg/L在72 h候后COD減小均變的緩慢。10 780 mg/L與15 843 mg/L在120 h后減小幅度才變小。由于廢水培養(yǎng)液中的有機(jī)物被出芽短梗霉利用于細(xì)胞物質(zhì)的合成，包括碳骨架的構(gòu)建、糖類的貯存，以及代謝產(chǎn)物普魯蘭多糖的形成。COD值大說明有機(jī)物含量高，它影響菌體的生長，菌體在營養(yǎng)豐富的情況下可以大量繁殖生長，同時消耗的有機(jī)物會更多此時消耗有機(jī)物要多于代謝產(chǎn)物的量，那么COD減小。當(dāng)有機(jī)物剩余量不足以供大量菌體生長繁殖那么就進(jìn)入穩(wěn)定期消耗與代謝漸進(jìn)平衡，COD值下降趨緩。在穩(wěn)定期廢水COD降低幅度雖然變小，但隨著處理時間的增長COD依舊下降，說明有機(jī)物在減少。這是因?yàn)闋I養(yǎng)物質(zhì)耗盡后，普魯蘭多糖就會被出芽短梗霉分解，以維持細(xì)胞的正常發(fā)育。

圖3 出芽短梗霉對廢水COD的影響Fig.3 Effect of Aureobasidium pullulan on waste COD

3 結(jié)論

(1)不同濃度的碳源下，出芽短梗霉的生長時期基本相同，碳源是該菌生長的關(guān)鍵營養(yǎng)控制要素，高濃度的PSW不但不會抑制出芽短梗霉的生長，反而使其生長更旺盛，對數(shù)期變長。

(2)出芽短梗霉的最后代謝多糖總量遵循一個規(guī)律，即隨著碳源濃度的提高，最終代謝產(chǎn)物的量也隨之增大。

(3)從實(shí)驗(yàn)中可看出，土豆淀粉廢水有機(jī)物濃度越高，在用出芽短梗霉處理時，廢水COD值降低幅度越大，COD去除率越高。

［1］ 崔唐兵，郭勇，鄭穗平.出芽短梗霉的研究進(jìn)展［J］.工業(yè)微生物，2002，32(2):41 －46.

［2］ Christian Barnett，Alan Smith，Bermard Scanlon.Pullulan production byAureobasidium pullulansgrowing on hydrolysed potato starch waste ［J］.Carbohydrate Polymers，1999，38(3):203 －209.

［3］ 邵榮，許琦，劉姍姍.以淀粉廢水、麥芽根制備生物材料－短梗霉多糖［J］.食品科學(xué)，2007，28(8):314－317.

［4］ 陳潔，傅正生，王長青，等.普魯蘭多糖在土豆淀粉廢水中的發(fā)酵條件研究［J］.食品工程，2006，98(1):28－30.

［5］ 王闖.淀粉及其廢棄物利用價值的探討［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報，2004，32(S1):121 －125.