蛋白核小球藻和斜生柵藻對偶氮染料的降解作用

蛋白核小球藻和斜生柵藻對偶氮染料的降解作用

1957年，oswald等人提出了該項(xiàng)目，并在全國范圍內(nèi)廣泛傳播。除了去除金屬和營養(yǎng)鹽外，藻類還可以分解各種有機(jī)物質(zhì)，如農(nóng)業(yè)、烷烴、淀粉、酚類和二甲苯二甲酸酯。劉厚田等人通過共生系統(tǒng)和海藻酸鈉氮染色材料的研究表明，藻類不僅可以通過光合作用為好氧菌提供氧氣，還可以單獨(dú)分解偶氮染色材料。近年來,定量結(jié)構(gòu)—生物降解性相關(guān)關(guān)系(QuantitativeStructure-BiodegradabilityRelation-ship,QSBR)研究是環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,偶氮染料結(jié)構(gòu)—脫色關(guān)系的定性研究表明,染料的生物降解性與芳環(huán)上取代基的性質(zhì)、數(shù)目、位置和染料的分子量相關(guān).戴樹桂等進(jìn)行了細(xì)菌降解染料的QSBR研究,但關(guān)于藻類降解偶氮染料的QSBR研究尚未見報(bào)道.本文研究了普通小球藻、蛋白核小球藻、斜生柵藻對偶氮染料的降解作用;并對不同結(jié)構(gòu)單偶氮染料的生物降解進(jìn)行了QSBR研究.1染料、紅色藻料普通小球藻(Chlorellavulgaris)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)均由中國科學(xué)院水生生物研究所藻種庫提供.染料直接深棕NM、酸性紅B、酸性橙II、酸性品紅6B、酸性紅3R、陽離子紅GTL、直接耐曬黃5GL、酸性金黃G、酸性嫩黃2G、酸性大紅BS、活性艷紅X-3B均為工業(yè)品,未做進(jìn)一步純化.1.2水hba人工培養(yǎng)模式純種普通小球藻、蛋白核小球藻、斜生柵藻在無菌條件下轉(zhuǎn)移至水生4號(HB4)人工培養(yǎng)液中,培養(yǎng)至對數(shù)生長期進(jìn)一步擴(kuò)大培養(yǎng).培養(yǎng)條件為:溫度25±1℃,光強(qiáng)4500Lux,12h光照,12h黑暗,光照期間每3h振蕩充氣一次.1.3結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定以直接深棕NM(5(40mg/L)為研究對象,加入藻的培養(yǎng)液中,藻的初始密度46(104個(gè)/mL,其它條件同上.記錄藻的生長,并測定染料吸光度的變化,計(jì)算脫色率,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行8天.分別以無N、無C及不同pH值培養(yǎng)液重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),以優(yōu)化降解條件.按上述條件,測定蛋白核小球藻對10種不同結(jié)構(gòu)單偶氮染料(10mg/L)的脫色率.選擇染料分子量和偶氮鍵最低未占據(jù)軌道能量(PM3法)作為QSBR研究的結(jié)構(gòu)參數(shù).2結(jié)果與討論2.13藻體生長曲線考慮到直接深棕NM對斜生柵藻生長的48h-EC50為8.37mg/L,選擇在5mg/L直接深棕NM中逐步馴化3種藻,逐步成倍提高染料的濃度,以馴化藻對染料的耐受力.圖1為3種藻在20mg/L直接深棕NM中的生長曲線,從圖1可看出,普通小球藻和蛋白核小球藻在染料中生長較好,而斜生柵藻的生長明顯受到影響.逐步馴化提高了藻類對染料的耐受力,如不經(jīng)過馴化,斜生柵藻在20mg/L直接深棕NM中幾乎不能生長.進(jìn)一步馴化到染料濃度為40mg/L,3種藻不能生長,在5天后陸續(xù)死亡.3種藻對直接深棕NM均有脫色作用,對5mg/L直接深棕NM作用10天,斜生柵藻脫色率為12.4%,普通小球藻和蛋白核小球藻為21.6%;而對20mg/L直接深棕NM,斜生柵藻的脫色率則大大下降,幾乎無作用,普通小球藻的脫色率下降到11.0%,蛋白核小球藻的脫色率下降為17.2%.所以蛋白核小球藻為最佳藻種.但總的來看脫色率偏低.2.2藻類在無n或無c環(huán)境中的生長為了考察藻類對染料的利用并進(jìn)一步提高脫色率,特配制不含N和C的營養(yǎng)液.3種藻在20mg/L直接深棕NM的正常、無N、無C培養(yǎng)液中的生長和脫色率見表1.從表1可以看出,3種藻在3種培養(yǎng)液中均能生長,表明藻類能利用偶氮染料作為其生長的唯一N、C源.正常培養(yǎng)液中藻類生長較好,明顯優(yōu)于在無N或無C環(huán)境中的生長,這是由于無N或無C培養(yǎng)液中養(yǎng)料不足,藻類攝取不到足夠的營養(yǎng);另外藻類對偶氮染料的降解第一產(chǎn)物芳香胺比偶氮染料本身毒性更大,所以脫色的同時(shí)增加了染料對藻類的毒性.在正常培養(yǎng)液中,藻類對染料有一定的降解,但程度較小.在無N或無C培養(yǎng)液中,降解率大大提高,表明藻類對染料的脫色作用與藻類的生理代謝過程有關(guān).3種環(huán)境的脫色率大小順序?yàn)?無N>無C>正常.由脫色率和生長速率可以確定蛋白核小球藻為優(yōu)勢藻種.藻類對偶氮染料的降解作用,還受溫度、光強(qiáng)、pH值等其它環(huán)境條件的影響.考慮到光強(qiáng)對脫色率的影響不大,而實(shí)際廢水的酸度變化較大,實(shí)驗(yàn)僅研究了pH值對藻類生長及染料脫色的影響(圖2).由圖2可以看出,酸性和堿性環(huán)境不利于藻類的生長,在中性環(huán)境中藻類生長旺盛.藻類對染料的脫色率在不同pH值下具有相同的變化趨勢,在中性環(huán)境中脫色率高,而在酸性和堿性條件下脫色率較低.可見藻類對染料的脫色率與藻類的生長代謝密切相關(guān).2.3結(jié)構(gòu)參數(shù)對脫色率的影響蛋白核小球藻對10種不同結(jié)構(gòu)單偶氮染料的脫色率及染料的分子量和偶氮鍵最低未占據(jù)軌道能量(Elumo)列于表2.不同結(jié)構(gòu)的染料生物降解性相差很大,脫色率為9.1%～89.8%.本文所用染料都是單偶氮鍵,但其兩側(cè)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,有不同取代的苯環(huán)和萘環(huán)及雜環(huán),有的還含有N正離子.本文選擇了兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)?偶氮鍵最低未占據(jù)軌道能量Elumo和染料分子量M,對脫色率和這兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行單因素QSBR研究,結(jié)果如下:Y(脫色率)=84.9+32.9Elumor=0.726n=9t=2.796Y(脫色率)=12.5+0.07Mr=0.220n=10t=0.638脫色率與最低未占據(jù)空軌道能量之間具有顯著相關(guān)性(t>t0.05=2.365),且分子的最低未占據(jù)軌道能量越負(fù),脫色率就越低.而脫色率與染料的分子量之間不存在相關(guān)性.偶氮染料的降解機(jī)理已被證明為在藻體內(nèi)的偶氮還原酶作用下產(chǎn)生了芳香胺,芳香胺再進(jìn)一步被降解.所以染料首先需從水體中富集到藻體內(nèi),然后在藻體內(nèi)酶的作用下發(fā)生還原反應(yīng),所以除了反應(yīng)中心的偶氮鍵電性起決定作用外,其它因素如染料的疏水性及藻類的代謝活性也會影響染料的脫色率,所以單因素QSBR研究不會得出非常顯著(t>t0.01)的相關(guān)性.3偶氮染料降解能力的比較3.1藻類能夠利用偶氮染料作為自身生長的C、N源,從而使染料脫色.在無C或無N培養(yǎng)液中,藻類的脫色能力較強(qiáng),但藻類的生長狀況比在正常培養(yǎng)液中差.3.2通過對普通小球藻、蛋白核小球藻、斜生柵藻降解能力的比較,發(fā)現(xiàn)蛋白核小球藻生長最好,脫色率最高,因而稱為優(yōu)勢藻種.3.3蛋白核小球藻的生長及對染料的脫色率受pH值的影響顯著,在中性環(huán)境