偶氮染料脫色菌群的固定化及其脫色性能研究*

張 悅，劉 娜，黃文瀾，郭慶賢，朱少東，汪 波，張海洋

(宿州學院環境與測繪工程學院，宿州學院沱河流域面源污染控制與生態修復技術研究中心，安徽 宿州 234000)

近年來，合成染料被廣泛地應用到了各種行業中，尤其在紡織印染業中。含有一個或者多個偶氮基團的偶氮染料，更是因為其色彩豐富、易染色、穩定性強等特點，在印染行業被廣泛使用[1]。在染料生產和應用的過程中，有部分染料未經處理即排入到環境中，會嚴重危害生物健康，破壞生態平衡[2-3]。因此如何高效處理印染廢水達到紡織業的可持續發展成為亟待解決的問題。

細菌因為繁殖快速、適應環境能力強等優點，被廣泛應用于染料降解過程[4-5]。然而，在實際使用中，游離菌種密度低，反應速度慢，微生物損失大，產物分離困難，反應過程難以控制。因此，采用固定化技術先將細菌或菌群進行固定，再用于處理實際廢水，是一個值得探索的研究方向[6-8]。李浩然與馮雅麗[9]以深海錳結核為載體，固定化微生物處理染料廢水，獲得了較好的處理效果。周林成等[10]利用固定化微生物法對印染廢水進行處理，經過水解酸化和好氧處理后，出水可達到國家一級排放標準。

本研究以偶氮染料活性黑5作為目標降解物，利用微生物固定化技術對偶氮染料脫色菌群進行固定化，然后利用固定化脫色菌群對偶氮染料活性黑5進行脫色降解，探討其脫色性能，研究結果為固定化脫色菌群在實際染料廢水中的推廣應用提供理論依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 固定化試劑與交聯劑

聚乙烯醇(PVA)；海藻酸鈉(SA)；沸石；氯化鈣(CaCl2)；硼酸。交聯劑：CaCl2飽和硼酸溶液。

1.1.2 染料

活性黑5是一種分子式為C26H21N5Na4O19S6的偶氮染料，其熔點為300 ℃，相對分子量為991.82，特征峰波長是597 nm。

1.1.3 培養基組成

培養基：磷酸二氫鉀2.66 g/L，無水硫酸鈉0.5 g/L，氯化銨0.2 g/L，蛋白胨1.5 g/L，牛肉膏1.5 g/L。

1.1.4 實驗主要設備與儀器

本試驗所用的主要設備及儀器為：紫外可見分光光度計、離心機、高壓蒸氣滅菌鍋、生化培養箱、超凈工作臺、冰箱等。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同組分含量對固定化小球物理性能的影響

本實驗通過改變不同SA(0.5%～3%)、PVA(2%～10%)、沸石(1%～4%)和CaCl2(1%～4%)濃度，探討了不同情況下，固定化小球的成球困難程度、粘連現象、彈性等。具體步驟如下：將SA、PVA先后分別加入20 mL滅菌水中，待攪拌均勻以后放入96 ℃左右的水浴鍋中，充分溶解制成包埋液20 mL，冷卻至37 ℃。取2 mL沸石溶液與包埋液混合均勻，接著均勻緩慢地滴入交聯劑中。交聯固定一定時間以后，使之形成直徑較為均勻的小球，觀察固定化小球的成球難易程度、粘連狀況、彈性。

1.2.2 偶氮染料脫色菌液及固定化小球的制備

實驗用菌種是從宿州市埇橋區生活污水處理廠篩選出的，對活性黑5具有一定脫色能力的混合菌群。將冷凍保存的2 mL混合菌群濃縮液接種于100 mL的基礎培養基中，在37 ℃條件下靜置活化培養。培養48 h后，將菌液先在8000 r、5 min、 4 ℃離心條件下，進行離心倒掉上清液，留下底部沉淀的濕菌體。利用PBS(磷酸鹽)緩沖溶液洗滌菌體2次，最后，將菌液溶于 2 mL無菌水，得到固定化偶氮染料脫色菌液。利用上述得到各組分最佳濃度，制備脫色菌群固定化小球，用生理鹽水沖洗2～3次后在4 ℃的環境中保存備用。

1.2.3 固定化小球脫色性能實驗

將上述制備的固定化小球放置在100 mL的染料培養基中，使染料濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L，在37 ℃條件下靜置培養，在培養0 h、24 h、48 h、72 h時分別取出2 mL，離心獲得上清液，利用紫外可見分光光度計測定 597 nm處的吸光度，并按下式計算脫色率。

脫色率=(A0-At)/A0×100%

(1)

式中：A0——0 h時597 nm處染料溶液的吸光度值

At——t h時597 nm處染料溶液的吸光度值

2 實驗結論與討論

2.1 不同組分含量對固定化小球物理性能的影響

2.1.1 不同SA濃度

不同SA濃度對固定化小球的物理性能影響見圖1。可以看出，當SA濃度在1%和1.5%時，其在接觸交聯液時可以快速形成成型的小球，小球大小均勻且不易相互粘連，在交聯24 h后都沉在杯底。當SA濃度為1%和1.5%時，小球的彈性更好，透明度適中。SA濃度過低如0.5%時，小球雖也成球形但彈性一般。SA濃度較高時(大于2%)時，液體粘稠度增加，流動性變差，已經開始出現拖尾現象，小球粘連情況較為嚴重而且不易形成小球。SA會提高小球的機械強度，在混合的同時會增大孔徑和韌性的作用，因此SA的濃度會與固定化小球成球后的粘連狀況、成球時的難易程度有一定關系[11]。故選取質量分數為1%的SA作為今后實驗SA的濃度。

圖1 不同SA濃度對固定化小球物理性能的影響

2.1.2 不同PVA濃度

不同PVA濃度對固定化小球的物理性能影響見圖2，可以看出，PVA的濃度在2%、4%、6%時較為合適，在PVA分子中含有的大量親水性羥基(-OH)，使固定化液滴在交聯液中成型快速且成球均勻。當 PVA含量大于8%時，顆粒內的組織密度會降低，顆粒的傳質能力也隨之下降。雖然有粘連，但是在擠壓后小球仍然可以復原，因此每組小球的彈性情況都很好。考慮到實際成本，本次實驗選用6%的PVA作為今后的實驗濃度。

圖2 不同PVA濃度對固定化小球物理性能的影響

2.1.3 不同沸石濃度

不同沸石濃度對固定化小球質量的影響如圖3所示，隨著沸石濃度越來越高，固定化液滴在交聯液時成球均勻，但小球透明度也隨著沸石濃度而減小。在沸石濃度為1%、2%的小球彈性最好，因此選取濃度為2%的沸石作為后續實驗的沸石濃度。

圖3 不同沸石濃度對固定化小球物理性能的影響

2.1.4 不同CaCl2濃度

在SA-PVA固定化時，添加CaCl2不僅可以促進固定化小球的形成，而且能夠提高傳質性能和機械強度[12]。不同濃度CaCl2對固定化小球物理性能影響見圖4，CaCl2濃度為4%時，在小球表面產生了一層較厚的乳白色凝膠材料層，從而影響了小球的透明度。當CaCl2濃度為1%、2%、3%的時候，膠質層較少，有少量小球會拖尾但不易相互粘連，且按壓后小球仍能正常恢復原狀。根據實驗對比結果，選擇3%作為最佳CaCl2濃度。

圖4 不同CaCl2濃度對固定化小球物理性能的影響

由各組分含量影響實驗結果可以看出，從成球的難易程度、粘連情況、彈性等方面評價，當SA、PVA、沸石、CaCl2分別為1%、6%、2%、3%時，所得到固定化小球的物理性能最佳。

2.2 脫色性能實驗結果分析

根據方法1.2.3測定脫色菌群固定化小球的脫色性能，結果見圖5。可以看出，當染料濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L時，脫色菌群固定化小球對活性黑5的脫色率隨反應時間的增長均逐漸增加，反應72 h后的脫色率分別為69.58%、72.19%、74.04%、71.73%，說明固定化菌群具有較好的脫色效果。楊寧等[13]利用固定化脫色菌對活性黑5進行脫色降解，結果表明固定化菌體獲得較好的脫色效果，且對模擬染料廢水處理具有一定的生物強化作用。

圖5 固定化小球對不同濃度活性黑5的脫色率

3 結 論

本文以偶氮染料活性黑5為研究對象，以PVA-SA-沸石作為固定化載體，以CaCl2飽和硼酸溶液為交聯劑，研制出具有一定活性的脫色菌群固定化小球。研究了6%PVA、1%SA、2%沸石，3%CaCl2條件下，固定化小球的成球難易、粘連情況、彈性均為最佳。利用最佳條件下的固定化小球脫色活性黑5，隨著染料濃度從10 mg/L增加到50 mg/L，反應72 h的脫色率均穩定達到70%左右。本文的研究結果可以為利用固定化菌群技術處理實際染料廢水提供理論依據。