三種羥肟酸捕收劑的微生物降解研究

摘要：采用搖瓶振蕩法研究克雷伯氏菌屬（Klebsiella）微生物對2-羥基-3-萘甲羥肟酸、苯甲羥肟酸和水楊羥肟酸3種常見的羥肟酸類捕收劑的生物降解。試驗結果表明，該微生物對此類捕收劑具有較好的降解效果。捕收劑被微生物降解12 d后，模擬廢水中2-羥基-3-萘甲羥肟酸的降解率為44.56%，苯甲羥肟酸的降解率為85.04%，水楊羥肟酸的降解率為62.04%。降解過程中，廢水中的OD600 nm均呈先升高后降低的變化趨勢，表明微生物在降解過程初期大量生長繁殖，隨后由于降解作用致使廢水中可供利用的碳源減少，導致微生物大量衰亡。

關鍵詞：羥肟酸；捕收劑；微生物降解；細菌細胞密度

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）11-2505-03

羥肟酸（Hydroxamic acid）又稱氧肟酸或異羥肟酸，其通式為RC（O）NHOH，可看成是羧酸的衍生物[1]。羥肟酸是一種相當活潑的有機弱酸，通常以酮式和醇式2種互變異構體的形式存在，即羥肟酸和異羥肟酸同時存在，二者可被認為是同一種物質，光譜數據證明兩種異構體中酮式是主要的存在形式[2]。

由于羥肟酸分子中含有氮原子和氧原子，它們都存在孤對電子，這樣特殊結構的存在使得羥肟酸很容易和金屬陽離子發生配位，形成很穩定的五元環或六元環狀螯合物[3]。因此羥肟酸被應用于礦物加工行業中，如在氧化鉛鋅礦、氧化銅礦、稀土礦的浮選中被大量用作捕收劑[4]。而其中羥肟酸對稀土礦，如獨居石、氟碳鈰礦和磷釔礦等的浮選是最有效的捕收劑[5]。早在1940年Popperle就已經將羥肟酸及其鹽類捕收劑用于礦物的浮選中，并在德國獲得了專利權[6]。目前羥肟酸廣泛應用于鎢礦、錫石、氧化銅礦、氧化鋅礦等礦的浮選中， 羥肟酸取得了較好的選別指標， 在礦物加工領域中具有較大的發展空間。此外，羥肟酸在醫藥和生化領域也有一定的應用，可作為基質金屬蛋白酶抑制劑、抗癌藥物、抗腫瘤藥物、除草劑、殺菌劑等[6]。

2-羥基-3-萘甲羥肟酸、苯甲羥肟酸和水楊羥肟酸是3種常見的羥肟酸類捕收劑，其中苯甲羥肟酸和水楊羥肟酸的化學結構中都含有苯環結構，2-羥基-3-萘甲羥肟酸中含有更加穩定的萘環結構。羥肟酸的化學結構使得其作為捕收劑使用在環境中富集后會具有一定的生理毒性，并且會增加礦物加工過程中廢水的COD，也會將N元素引入水體，在水體中累積后會引起水體富營養化，給環境造成影響。羥肟酸屬于較難降解的有機物，一旦排放到環境中，它們難于被分解，所以可以在水體、土壤等環境介質中存留數年甚至更長的時間。因此，為了降低羥肟酸捕收劑在環境中的影響程度，研究了3種常見羥肟酸類捕收劑的微生物降解性能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料 試驗選用3種常見羥肟酸類捕收劑，具體見表1。

1.1.2 基礎培養基 MgSO4·7H2O 0.2 g、（NH4）2SO4 0.5 g、NaCl 1.0 g、KH2PO4 0.5 g、K2HPO4 1.5 g、蒸餾水1 000 mL，pH 7.0。

1.1.3 模擬廢水的制備 在基礎培養基中分別添加2-羥基-3-萘甲羥肟酸、苯甲羥肟酸和水楊羥肟酸3種捕收劑人工配制成模擬廢水，廢水中羥肟酸捕收劑的濃度均為100 mg/L。

1.1.4 菌種來源 由武漢理工大學從某地土壤中分離出的一株克雷伯氏菌屬（Klebsiella）微生物。

1.1.5 所用儀器 HZQ-C雙層空氣恒溫振蕩器、UV-3000PC紫外可見分光光度計、Sartorius BS210S型電子天平、LG10-2.4A型高速離心機。

1.2 試驗方法

1.2.1 羥肟酸捕收劑的標準工作曲線 用UV-3000PC紫外可見分光光度計對3種羥肟酸廢水溶液作全程掃描，確定最大特征吸收峰波長。配制不同濃度的模擬廢水溶液， 在最大特征吸收峰波長下以蒸餾水為空白對照測定溶液的吸光度，得到模擬廢水溶液濃度與吸光度之間關系的標準工作曲線。

1.2.2 微生物懸浮液的制備 在以H205為惟一碳源的無機鹽固體培養基平板上培養克雷伯氏菌72 h后，將平板上的菌落用接種環挑取轉接至pH 7.2磷酸緩沖溶液中，配制成細菌細胞密度為108個/mL的菌懸液，備用。

1.2.3 微生物降解羥肟酸的試驗 在3種人工模擬廢水中按照10%的體積比添加微生物懸浮液，將配制好的上述混合液分別取100 mL分裝于250 mL的錐形瓶中，置于HZQ-C雙層空氣恒溫振蕩器內，在轉速為150 r/min、溫度為30 ℃的條件下進行微生物降解試驗。分別在降解0、3、5、7、9、12 d時取出一定量的模擬廢水，在轉速為7 500 r/min的條件下離心分離15 min，稀釋后，用紫外可見分光光度計測定上清液中待測物質羥肟酸捕收劑的吸光度，據此計算溶液中羥肟酸捕收劑的濃度。羥肟酸捕收劑的降解率計算公式為：

D=（C0-Cn）/C0×100%

式中，D為第n天的降解率；C0為降解開始時廢水中羥肟酸捕收劑的濃度，mg/L；Cn為降解第n天時廢水中羥肟酸捕收劑的濃度，mg/L。

1.2.4 細菌細胞密度（OD600 nm） OD600 nm是追蹤液體培養物中微生物生長的標準方法。以未加菌液的培養液作為空白液，用紫外分光光度計測定羥肟酸捕收劑模擬廢水在微生物降解過程中600 nm波長處的吸光度。

2 結果與分析

2.1 2-羥基-3-萘甲羥肟酸的微生物降解效果

圖1為2-羥基-3-萘甲羥肟酸降解率及OD600 nm隨時間的變化，從圖1可以看出，微生物對2-羥基-3-萘甲羥肟酸捕收劑的降解具有一定的作用，模擬廢水中2-羥基-3-萘甲羥肟酸的降解率隨降解時間的推移逐漸增加，降解12 d時2-羥基-3-萘甲羥肟酸捕收劑的降解率達到了44.56%。OD600 nm的變化趨勢表明微生物在該捕收劑廢水中的生長情況，微生物降解2-羥基-3-萘甲羥肟酸捕收劑過程中OD600 nm的變化趨勢是先升高后降低。在開始的時候由于細菌大量的生長繁殖，在微生物降解苯甲羥肟酸5 d時細菌的OD600 nm由初始狀態的0.092達到最大值0.174；隨后由于廢水中作為碳源被利用的2-羥基-3-萘甲羥肟酸的量逐漸減小，導致微生物由于營養不足大量死亡或者自溶，在微生物降解12 d時OD600降低到0.078。2-羥基-3-萘甲羥肟酸捕收劑在微生物的降解過程中，一部分有機物被微生物攝取后通過代謝活動被分解、穩定，并提供其生理活動所需的能量；另一部分有機物被微生物轉化，合成為新的原生質，即進行微生物的生長繁殖。

2.2 苯甲羥肟酸的微生物降解效果

圖2為苯甲羥肟酸降解率及OD600 nm隨時間的變化，可見微生物對苯甲羥肟酸捕收劑的降解具有較明顯的作用。微生物降解12 d時模擬廢水中苯甲羥肟酸的降解率逐漸上升，最終達到了85.04%。苯甲羥肟酸捕收劑的生物降解效果比2-羥基-3-萘甲羥肟酸要好，原因是苯甲羥肟酸只含有1個苯環結構，相對于含有萘環結構的2-羥基-3-萘甲羥肟酸來講，苯環結構更容易開環，所以更容易被微生物降解。苯甲羥肟酸模擬廢水中的OD600 nm的變化趨勢與2-羥基-3-萘甲羥肟酸相同，呈現先升高后降低的趨勢，微生物降解苯甲羥肟酸5 d時細菌OD600 nm由初始狀態的0.092達到最大值0.280，隨后逐漸降低到12 d時的0.164。

2.3 水楊羥肟酸的微生物降解效果

圖3為水楊羥肟酸降解率及OD600 nm隨時間的變化。由圖3可知，微生物對水楊羥肟酸的降解效果較好，模擬廢水中水楊羥肟酸捕收劑經過微生物降解12 d時降解率為62.04%。微生物在降解捕收劑的周期中，OD600 nm在降解3 d時上升到最大值，為0.218，隨后逐漸下降到12 d時的0.128。

3 結論

1）采用振蕩法用克雷伯氏菌屬微生物對2-羥基-3-萘甲羥肟酸、苯甲羥肟酸和水楊羥肟酸3種常見的羥肟酸類捕收劑進行生物降解，試驗結果表明克雷伯氏菌屬微生物對此類捕收劑具有一定的降解效果。

2）在微生物降解12 d時，模擬廢水中2-羥基-3-萘甲羥肟酸的降解率為44.56%，苯甲羥肟酸的降解率為85.04%，水楊羥肟酸的降解率為62.04%。可見，由于2-羥基-3-萘甲羥肟酸具有較為穩定的萘環結構，所以這種捕收劑較難降解。

3）在3種羥肟酸類捕收劑的微生物降解過程中，模擬廢水的OD600 nm均先升高后降低，表明微生物在降解過程初期大量生長繁殖，隨后由于廢水中可供利用的碳源減少，導致微生物大量衰亡。

參考文獻：

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