鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+對蠟質(zhì)芽孢桿菌DL-1降解鄰二氯苯的復(fù)合影響

孫祝秋，楊百忍，丁 成

（1. 江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 鹽城工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+對蠟質(zhì)芽孢桿菌DL-1降解鄰二氯苯的復(fù)合影響

孫祝秋1，楊百忍2，丁 成2

（1. 江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 鹽城工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

以蠟質(zhì)芽孢桿菌DL-1降解鄰二氯苯，研究不同濃度的鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對鄰二氯苯生物降解效果的影響。通過響應(yīng)面優(yōu)化法獲得最適加入量，并考察添加鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的生物滴濾塔中鄰二氯苯廢氣的處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的最適加入量分別為120，4.0，2.0 mg/L；在最適加入量下培養(yǎng)48 h后，鄰二氯苯降解菌DL-1能夠保持菌體完整，培養(yǎng)72 h后鄰二氯苯去除率可達(dá)98.3%；在鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+加入量為最適加入量、空床停留時(shí)間為60 s、進(jìn)氣中鄰二氯苯質(zhì)量濃度為1 000 mg/m3時(shí)，生物滴濾塔對鄰二氯苯的去除率達(dá)到90.0%。

鼠李糖脂；鐵離子；鎂離子；鄰二氯苯；蠟質(zhì)芽孢桿菌；響應(yīng)面法；生物滴濾塔

鄰二氯苯在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，是一種常見的有機(jī)氯污染物，在環(huán)境中具有污染時(shí)間長、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、毒性強(qiáng)等特點(diǎn)［1］，被列入美國環(huán)保局（EPA）優(yōu)先控制污染物、有毒污染物名單和中國環(huán)境優(yōu)先控制污染物黑名單［2］。鄰二氯苯常用的處理方法主要分為物理催化法、化學(xué)法、生化法、微生物法及植物吸收法等［3］，其中微生物法由于其無二次污染、處理效率高等特點(diǎn)已被廣泛關(guān)注［4-6］。

添加表面活性劑是提高不溶性有機(jī)物在水中溶解度最常用的方法，鼠李糖脂作為一種生物表面活性劑，具有毒性低、生物親和性強(qiáng)等生物表面活性劑獨(dú)有特點(diǎn)［7］。在微生物生長過程中，眾多金屬離子發(fā)揮著重要作用。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)e3+和Mg2+對微生物降解具有明顯促進(jìn)作用［8-10］。目前的相關(guān)研究主要集中于考察單因素對微生物降解有機(jī)物效果的影響，但對混合因素的共同影響以及微生物本身的變化研究較少［11-13］。

研究證明，生物滴濾塔對多種VOCs都有十分顯著的去除效果。Liu等［14］在生物滴濾塔中通過固定化細(xì)菌和真菌去除H2S，去除率達(dá)到95%以上。楊百忍等［15］利用生物滴濾塔技術(shù)處理氯苯氣體，氯苯去除率平均達(dá)到90%以上。因此，生物滴濾塔成為了較常見且效果好的廢氣處理設(shè)備。

本工作以鄰二氯苯為單一碳源，研究不同濃度的鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對鄰二氯苯優(yōu)勢降解菌（蠟質(zhì)芽孢桿菌DL-1）降解鄰二氯苯效果的復(fù)合影響。通過響應(yīng)面法獲得鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的最適加入量，并研究在最適加入量下生物滴濾塔對鄰二氯苯廢氣的處理狀況。創(chuàng)新點(diǎn)在于考察了鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對鄰二氯苯降解過程的復(fù)合作用以及將對液相中鄰二氯苯降解的強(qiáng)化方法應(yīng)用到了對生物滴濾塔處理鄰二氯苯廢氣的強(qiáng)化中。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑和儀器

蠟質(zhì)芽孢桿菌DL-1：分離自鹽城工學(xué)院北校區(qū)盆栽1年蘆葦根際土壤。

鄰二氯苯、三氯化鐵、氯化鎂、石油醚及其他試劑：分析純；鼠李糖脂：湖州紫金生物科技有限公司，糖脂含量大于等于90%。

無機(jī)鹽培養(yǎng)基：KH2PO40.5 g，Na2HPO40.5 g，（NH4）2SO42 g，CaCl20.01 g， MnSO4·H2O 0.13 mg，ZnCl20.23 mg，CuSO4·H2O 0.03 mg，CoCl2·6H2O 0.42 mg， Na2MoO4·2H2O 0.15 mg，AlCl3·6H2O 0.05 mg，蒸餾水定容至1 000 mL，pH約為7，滅菌使用。

生物滴濾塔營養(yǎng)液：按文獻(xiàn)［10］配制。

磷酸鹽緩沖液：NaCl 80 g，Na2HPO412.7 g，NaH2PO43.5 g，蒸餾水1 000 mL， pH 7.2。

T6新世紀(jì)型紫外-可見分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限公司；WHY-2型數(shù)顯恒溫振蕩器：上海梅香儀器有限公司；Clarus 580型氣相色譜儀：PerkinElmer股份有限公司；S3400N型掃描電子顯微鏡：日立公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菌液的培養(yǎng)

蠟質(zhì)芽孢桿菌DL-1接種于含130 mg/L鄰二氯苯的100 mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基中，在培養(yǎng)溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的恒溫振蕩器中培養(yǎng)48 h［16］。

1.2.2 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對水中鄰二氯苯生物降解的單因素影響

在50 mL含130 mg/L鄰二氯苯的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中分別加入不同質(zhì)量濃度的鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+，以10%（w）的接種量加入菌液，在培養(yǎng)溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的恒溫振蕩器上培養(yǎng)48 h，取樣，以4 500 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，測定上清液吸光度及鄰二氯苯質(zhì)量濃度。

1.2.3 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對水中鄰二氯苯生物降解的多因素復(fù)合影響

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法考察鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對水中鄰二氯苯生物降解的多因素復(fù)合影響。以Design Expert軟件中的Box-Behnken方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件及操作方法同1.2.2。

1.2.4 生物滴濾塔處理模擬鄰二氯苯廢氣

生物滴濾裝置示意見圖1。

圖1 生物滴濾裝置示意

揮發(fā)槽中的鄰二氯苯經(jīng)鼓氣揮發(fā)至空氣中，并在混合緩沖槽中調(diào)整進(jìn)入生物滴濾塔的模擬廢氣的氣速及鄰二氯苯質(zhì)量濃度。生物滴濾塔直徑為20 cm，高度為50 cm，由有機(jī)玻璃制成，分為上下兩個(gè)部分，以體積為0.025 m3的聚氨酯海綿為填料。采用氣液對流模式，在塔內(nèi)，待處理廢氣向上流動，與向下流動的營養(yǎng)液形成對流。流到底部的營養(yǎng)液再被液壓泵運(yùn)送到塔頂形成循環(huán)，循環(huán)流速為10 L/h，營養(yǎng)液更新速率為 5 L/d。在營養(yǎng)液中按照最適濃度添加鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+。在進(jìn)出口處取氣樣，測定鄰二氯苯質(zhì)量濃度，研究生物滴濾塔對鄰二氯苯模擬廢氣的去除效果。

1.3 分析方法

細(xì)菌濃度的測定采用分光光度法：在600 nm波長下測定菌液的吸光度（OD600），以此表征細(xì)菌的相對生長情況［17］。

鄰二氯苯質(zhì)量濃度的測定采用氣相色譜法：液相中鄰二氯苯先用石油醚萃取；氣相中鄰二氯苯用10 μL氣密微量進(jìn)樣針取樣。氣相色譜條件：石英毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.32 mm×0.5 μm）；程序升溫，初溫40 ℃保持4 min，以10 ℃/min的升溫速率升至終溫220 ℃；進(jìn)樣量1 μL；汽化室溫度220℃；檢測器溫度300 ℃；載氣流量1.0 mL/min；進(jìn)樣0.5 min分流，分流比為60∶1［18］。

菌種形態(tài)特征的觀察采用掃描電子顯微鏡，具體操作同文獻(xiàn)［19］。

2 結(jié)果與討論

2.1 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對水中鄰二氯苯生物降解的單因素影響

鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+加入量對鄰二氯苯去除率的影響分別見表1～3。

表1 鼠李糖脂加入量對鄰二氯苯去除率的影響

表2 Fe3+加入量對鄰二氯苯去除率的影響

表3 Mg2+加入量對鄰二氯苯去除率的影響

由表1可見，在加入量為3 000 mg/L的鼠李糖脂作用下，鄰二氯苯的去除率低于不添加鼠李糖脂的去除率，說明在高濃度的鼠李糖脂作用下，鄰二氯苯降解菌的降解能力被抑制。一個(gè)原因是濃度過高時(shí)，析出的鼠李糖脂將鄰二氯苯不溶顆粒包裹，使微生物無法與底物接觸；另一個(gè)原因是微生物生長被抑制，活性降低造成去除率下降［20］。而其他濃度的鼠李糖脂均對鄰二氯苯的去除產(chǎn)生促進(jìn)作用，且加入量為120 mg/ L的鼠李糖脂對鄰二氯苯去除率的提高最為明顯。

由表2和表3可見，在加入量為5.0 mg/L的Fe3+或Mg2+作用下，鄰二氯苯的去除率出現(xiàn)下降，說明高濃度的Fe3+或Mg2+對鄰二氯苯降解都會起抑制作用。當(dāng)Fe3+加入量為0.4～4.0 mg/L，或Mg2+加入量為0.4～2.0 mg/L時(shí)，鄰二氯苯的去除率均隨加入量的增加而增加，而4.0 mg/L Fe3+及2.0 mg/L Mg2+對降解菌的降解能力具有明顯的促進(jìn)作用。

2.2 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+對水中鄰二氯苯生物降解的多因素復(fù)合影響

添加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。

表4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表

表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)Design-Expert 8.0分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出鄰二氯苯去除率與各因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，見式（1）。

式中，η為鄰二氯苯去除率，%；A為鼠李糖脂加入量，mg/L；B為Fe3+加入量，mg/L；C為Mg2+加入量，mg/L。

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，鄰二氯苯去除率方程的平方和、自由度、均方差和F值分別為2 723.72，9，302.64，159.47，p值小于 0.000 1，說明回歸方程顯著。其中二次項(xiàng)A2極顯著、C2極顯著、B2極顯著；交互項(xiàng)AB顯著，BC顯著，AC不顯著。失擬項(xiàng)為0.117 1，大于0.05，說明方程擬合良好，同時(shí)R2值為0.995 1，也說明鄰二氯苯去除率方程能反映響應(yīng)值變化。該模型與實(shí)際結(jié)果擬合較好，可以利用其進(jìn)行鄰二氯苯去除率的預(yù)測。

采用該模型進(jìn)行綜合分析，獲得鼠李糖脂、Fe3+和Mg2+的最適加入量分別為120，4.0，2.0 mg/ L。在該最適條件下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，鄰二氯苯去除率為91.2%，與數(shù)據(jù)模型預(yù)測值90.5%相近，證實(shí)了該模型的準(zhǔn)確性。

2.3 最適加入量下降解菌生長及鄰二氯苯去除情況

在最適加入量下的降解液OD600及鄰二氯苯去除率見圖2。由圖2可見，在最適加入量條件下培養(yǎng)72 h后，不僅降解菌的生長得到了明顯促進(jìn)，鄰二氯苯的最大去除率也達(dá)98.3%，相比于未加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+時(shí)的鄰二氯苯去除率（74.4%）提高了23.9個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 在最適加入量下的降解液OD600（a）及鄰二氯苯去除率（b）

2.4 最適加入量下生物滴濾塔對鄰二氯苯廢氣的處理效果

最適加入量下生物滴濾塔對鄰二氯苯廢氣的處理效果見圖3。由圖3可見：生物滴濾塔啟動30 d后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)空床停留時(shí)間（EBRT）分別為20，40，60，80 s時(shí)，鄰二氯苯進(jìn)氣濃度分別在10 d內(nèi)從0逐步上升至2 000 mg/m3，每階段的鄰二氯苯去除率從100%分別下降至65.57%，79.56%，85.46%，87.07%。由此可知，鄰二氯苯去除率隨著EBRT的延長而增大。原因是EBRT延長時(shí)鄰二氯苯氣體流量減小，生物滴濾塔系統(tǒng)負(fù)荷變小，生物膜所受到的沖刷力變小。鄰二氯苯去除率隨著鄰二氯苯質(zhì)量濃度的增加而減小的原因是：鄰二氯苯進(jìn)氣濃度較低時(shí)，氣體的進(jìn)氣負(fù)荷小，則液膜傳質(zhì)阻力比較小，微生物的降解能力強(qiáng)；隨著進(jìn)氣濃度增加，液膜傳質(zhì)阻力變大，微生物對鄰二氯苯的降解能力達(dá)到極限，高濃度鄰二氯苯對微生物代謝活動產(chǎn)生抑制，使鄰二氯苯去除率減小。在最適加入量下，EBRT為60 s、進(jìn)氣鄰二氯苯質(zhì)量濃度為1 000 mg/m3時(shí)，生物滴濾塔對鄰二氯苯的去除率為90.0%。

圖3 最適加入量下生物滴濾塔對鄰二氯苯廢氣的處理效果

2.5 鄰二氯苯降解菌的形態(tài)

培養(yǎng)48 h后鄰二氯苯降解菌的SEM照片見圖4。由圖4可見：未添加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的鄰二氯苯降解菌經(jīng)過48 h的培養(yǎng)，已經(jīng)發(fā)生較多的菌體破裂死亡，同時(shí)存活下來的降解菌數(shù)量較少；而最適加入量下經(jīng)過48 h培養(yǎng)的降解菌仍能保持菌種形態(tài)，且存活率高，同時(shí)菌數(shù)量大于未加鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的空白樣。原因是加入的鼠李糖脂會使降解菌表面失去親水性脂多糖類物質(zhì)，細(xì)胞表面疏水性變大，這樣使得降解菌與鄰二氯苯的親和性加強(qiáng)［13］，另外鼠李糖脂也提高了鄰二氯苯在水中的溶解性，使菌體與鄰二氯苯之間接觸更加充分；同時(shí)微量Fe3+及Mg2+的加入會使降解菌活性變大，生長能力增強(qiáng)。

圖4 鄰二氯苯降解菌的SEM照片

3 結(jié)論

a）適當(dāng)濃度的鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+對鄰二氯苯的生物降解可起較大促進(jìn)作用，最適加入量分別為120，4.0，2.0 mg/L。

b）在鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的最適加入量下，鄰二氯苯降解菌DL-1的生長狀況良好，鄰二氯苯去除率有一定的提高。經(jīng)過72 h培養(yǎng)，鄰二氯苯的最大去除率為98.3%，比未添加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+時(shí)提高了23.9個(gè)百分點(diǎn)。通過掃描電鏡觀察，菌體能夠較好地維持基本形態(tài)，未發(fā)生破裂死亡。

c）在鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的最適加入量下，生物滴濾塔對鄰二氯苯的去除率隨著EBRT的延長而增大，隨鄰二氯苯質(zhì)量濃度的增加而減小。當(dāng)EBRT為60 s、進(jìn)氣鄰二氯苯質(zhì)量濃度為1 000 mg/ m3時(shí)，鄰二氯苯去除率達(dá)到90.0%。

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（編輯 葉晶菁）

Composite effects of rhamnolipid，F(xiàn)e3+and Mg2+on degradation of o-dichlorobenzene by Bacillus cereus strain DL-1

Sun Zhuqiu1，Yang Bairen2，Ding Cheng2
（1. School of Environmental and Safety Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2. School of Environmental Science and Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China）

o-Dichlorobenzeneas was degraded by a strain of Bacillus cereus DL-1. The effects of rhamnolipid，F(xiàn)e3+and Mg2+with different concentration on the bio-degradation were studied. Their optimum conditions were obtained by using response surface optimization method，and the treatment effect of o-dichlorobenzene-containing waste gas in a biotrickling fi lter with rhamnolipid，F(xiàn)e3+and Mg2+addition were investigated. The experimental results show that：The optimum dosage of rhamnolipid，F(xiàn)e3+，and Mg2+is 120 ，4.0，2.0 mg/L respectively；Under the optimum dosages，the Bacillus cereus DL-1 strain can keep intact after cultured for 48 h，and the o-dichlorobenzene removal rate is 98.3% after cultured for 72 h；When rhamnolipid，F(xiàn)e3+，and Mg2+are added with the optimum dosage，the empty bed residence time is 60 s and the mass concentration of o-dichlorobenzene in the biotrickling fi lter inlet is 1 000 mg/m3，the o-dichlorobenzene removal rate is 90.0%.

rhamnolipid；Fe3+；Mg2+；o-dichlorobenzene；Bacillus cereus；response surface method；biotrickling fi lter

X511

A

1006-1878（2017）01-0088-06

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.01.016

2015 - 10 - 15；

2016 - 04 - 07。

孫祝秋（1991—），男，江蘇省鹽城市人，碩士生，電話 18252585823，電郵 1530131300@qq.com。聯(lián)系人：楊百忍，電話 18912506771，電郵 ybairen@163.com。

江蘇省環(huán)保科研項(xiàng)目（2015007，2014018）。