楊征¹，徐德強²，張亞雷¹，趙建夫¹
（1.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092；2.復旦大學生命科學學院，上海200433）

　　摘　要：分別用海藻酸鈉與聚乙烯醇為載體，對前期研究中獲得的丁二腈高效降解菌進行包埋固定。研究了不同載體包埋固定的菌種對廢水中丁二腈的降解效果。結果表明，采用海藻酸鈉包埋固定的菌種在30℃，pH＝6.5，搖床轉速為250r／min的條件下，當菌的質量濃度為1g／L和2g／L時，丁二腈的降解率均達80％以上。
　　關鍵詞：固定化高效菌種；丁二腈；生物降解；海藻酸鈉；聚乙烯醇
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009－2455（2002）06－0001－03

A Study on Degradation of Succinonitrile with Immobilized Cells
YANG Zheng¹, XU De-qiang²,ZHANG Ya-lei¹，ZHAO Jian-fu¹
（1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University,Shanghai 200092, China;2. School of Life Science, Fudan University, Shanghai 200433, China)

　　Abstracts: Sodium alginate and polyvinyl alcohol were separately used as carriers to entrap and immobilize the high-efficiency degradating bacterium of succinonitrile. Results of degradation of succinonitrile with the bac-terum entrapped and immobilized by different carriers were studied. The results showed that when the bacterium entrapped and immobilized with sodium alginate was used and the concentration of the bacterium was 1 g/L and 2g/L at 30℃ with pH=6.5 and the rotating speed of shaker being 250r/min, the degradation rate of succinonitrile was over 80%.
　　Key words: immobilized high-efficiency bacterium; succinonitrile; biodegradation; sodium alginate; polyvinyl alcohol

　　固定化酶技術和固定化細胞技術，是上世紀60年代后期國際上迅速發展起來的一項新興的生物技術^[1]，它具有細胞密度高，反應速度快，微生物流失少，產物分離容易，反應過程控制較容易等優點^[2]。目前，該技術已從最初的一些發酵產品的生產轉向廢水處理方面的應用探索^[3]。
　　丁二腈是一種毒性大，對人類和動植物有著巨大潛在危害的難降解有機化合物。是二步法腈給生產廢水中的主要污染物之一。針對上海某石化腈綸廠廢水進行的色質聯機分析表明，此廢水中丁二腈的含量較高^[4]，質量分數為21.24％，相當于質量濃度為38.13mg/L的TOC。為了使此廢水中的丁二腈可被更有效的降解，我們選用前期研究中獲得的高效丁二腈降解菌，并以不同載體進行包埋固定，進行了固定化高效菌種降解丁二腈的研究^[5-6]。

1 試驗材料與方法

1.1 供試底物與包埋材料
　　丁二腈，海藻酸鈉，聚乙烯醇（PVA）1750±50（聚合度）。
1.2 丁二腈高效降解菌種
　　選用前期研究中分離篩選出的一株丁二腈高效降解菌。它取自腈綸廠塔式生物濾池中的生物膜，經富集分離純化后所得。經鑒定屬于假單胞菌（Pseudomonassp.），菌種編號為J－13－1。
1.3 試驗用廢水
　　采自上海某石化腈綸廠，其丁二腈的質量濃度為30mg／L，pH值為6.5。為了保證供給高效菌充足的營養，以及模擬實際生產中最大的丁二腈濃度，試驗用水是用實際生產廢水配制的，其丁二腈的質量濃度分別為30mg／L，3000mg／L和5000mg／L。
1.4 菌體固定化包埋顆粒的制備
　　①將試驗菌種經液體振蕩培養后，通過3次離心洗滌，得到濕菌體，然后將濕菌體與4％的海藻酸鈉膠液以1：40（菌體濕重g：膠液體積mL，簡稱菌膠比）的比例充分混勻，滴入4℃，4％的CaCl2。溶液中，將形成的凝膠顆粒浸在4℃，4％的CaCl₂。溶液中放入冰箱中，于4℃靜置膠連24h，最終得到直徑為3－4mm的固定化顆粒（IMG）^[7]。
　　②與上述步驟一致，將得到的濕菌體與10％的聚乙烯醇膠液以1:40的菌膠比充分混合均勻后，滴入飽和的硼酸溶液中，室溫下在飽和硼酸溶液中膠連24h。結果發現，大部分凝膠顆粒粘附在一起，在后期的試驗中更是出現溶漲、破損變形。
　　③在原有的10％的聚乙烯醇膠液中加入1％的海藻酸鈉膠液，其他步驟均同上^[8]。此法不但可獲得直徑為3－4mm的包埋顆粒，且其機械強度也較方法②有較大改觀，但在后期的搖床試驗中還是有溶漲與破損現象出現。
1.5 降解試驗方法
　　在補加有適量丁二腈的30mL某石化腈綸廠廢水（丁二腈的質量濃度為3000mg／L）的250mL三角瓶中分別加入海藻酸鈉包埋顆粒、PVA包埋顆粒和改良后的PVA包埋顆粒，使溶液菌體的質量濃度為2.0g／L（濕菌重／溶液體積）。而后將上述三角瓶置于搖床上振蕩培養（轉速250r／min，pH值為6.5，溫度30℃），并定時取樣，分析各樣品中的丁二腈含量。
　　再以上海某石化腈綸廠廢水為基礎液，配制丁二腈的質量濃度分別為30mg/L（基礎液中了二腈的質量濃度），3000mg／L和5000mg／L的試驗液（PH＝6.5），在每個250mL三角瓶中加入30mL上述試驗液，并分別稱取海藻酸鈉包埋顆粒，菌的投加量分別為1.0g／L和2.0g／L，投入到上述瓶中，進行振蕩培養（轉速250r／min，溫度30℃），其間定時取樣，分析各樣品中的丁二腈含量。
　　最后將上述經反應24h的海藻酸鈉包埋顆粒取出后，用蒸餾水洗滌幾次，再投入新的上述試驗液（丁二腈的質量濃度為3000mg/L）中，重復上述試驗。

2 結果與討論

2.1 不同我體包埋顆粒降解丁二腈的結果
　　由于PVA包埋顆粒在振蕩培養處理廢水過程中產生的溶漲及破損變形現象，故就機械強度而言PVA包埋顆粒是不太適合單獨作包埋載體的。本文只對海藻酸鈉包埋顆粒與改良后的PVA包埋顆粒進行丁二腈降解研究，其中了二腈的質量濃度3000mg／L，菌體的投加量為2.0g／L，轉速為250r／min，pH值為6.5，溫度為30T。結果見圖1。

　　圖1結果表明，反應自開始到結束的24h內，用海藻酸鈉包埋的丁二腈降解菌顆粒在20h時其丁二腈降解率即達100％，而改良后的PVA包埋顆粒僅達70％，從而表明前者的降解速率要明顯優于后者。其主要原因是海藻酸鈉較聚乙烯醇的傳質性能要好。同時，改良后的聚乙烯醇包埋顆粒在試驗的后期也出現了一定的溶漲、破損變形現象，表明海藻酸鈉包埋顆粒的機械強度優于改良后的聚乙烯醇包埋顆粒。
2.2 海藻酸鈉包埋顆粒對不同質量濃度丁二腈的降解效果
　　在30℃，pH=6.5，轉速為250r／min的條件下，海藻酸鈉包埋顆粒對不同質量濃度的丁二腈的降解結果，見表1。

表1 海藻酸鈉包埋顆粒對不同質量濃度的丁二腈的降解結果 ρ（丁二腈）/（mg/L^-1) 菌種投加量/（g.L^-1) 不同降解時間丁二腈去除率/% 5h 10h 15h 20h 24h 3000 1 33.35 53.09 71.33 77.57 82.85 3000 2 56.08 76.92 82.23 100 100 5000 1 23.72 43.23 49.50 72.16 82.76 5000 2 38.35 67.34 86.15 100 100 30 1 30.50 53.59 100 100 100

　　從表1中可以看出海藻酸鈉包埋菌種處理丁二腈廢水有很好的效果，盡管菌的投加量與丁二腈的質量濃度各不相同，但經過24h，丁二腈的降解率均在80％以上，尤其是當菌的投加量為2g／L時，在20h后丁二腈降解率均為100％。
2.3 海藻酸鈉包埋顆粒重復使用的效果
　　為檢驗包埋顆粒的可重復使用的特性，在經過24h的反應后將包埋顆粒取出并重新進行了二腈降解試驗，試驗水樣中丁二腈的質量濃度為3000mg／L，pH值為6.5，溫度30℃，轉速為250r／min。結果見表2。

表2 海藻酸鈉包埋顆粒降解丁二腈的重復使用研究結果 菌種投加量/（g.L-1) 不同降解時間丁二腈去除率/% 　 15h 24h 1 66.34 73.09 2 75.76 100

　　 由表2可以看出了二腈的降解率和前述試驗的情況基本一致，從而也表明海藻酸鈉包埋顆粒有很好的重復利用的性能。經過48h的搖瓶試驗后，將包埋顆粒從瓶中取出，經檢驗后其機械強度未發生變化。

3 結論

　　 ①用聚乙烯醇進行包埋必須經過改良，否則其機械強度不能滿足使用的要求，本研究將改良后的聚乙烯醇包埋顆粒與海藻酸鈉包埋顆粒進行了對比，結果表明，無論從機械強度還是從反應速度的角度考慮，海藻酸鈉包埋顆粒都優于改良后的聚乙
烯醇包埋顆粒。
　　 ②丁二腈的質量濃度分別為30mg／L，3000mg／L，5000mg/L時，分別用菌投加量為1g／L和2g／L，經過24h的振蕩培養，其丁二腈降解率在80％以上，其中當菌投加量為2g／L時，經過20h，丁二腈降解率均為100％。
　　 ③采用海藻酸鈉包地顆粒對丁二腈進行降解的重復使用的研究結果表明，經過24h的重復實驗，丁二腈的降解率和前一周朗的結果基本一致。這一結果說明，用海藻酸鈉進行包埋，其生物降解的效果是穩定的，其重復利用性能較佳。
　　 ④研究結果也表明前期篩選出的丁二腈高效降解菌J－13－1確實是一株對丁二腈有較強降解作用的菌株，可以進一步進行研究與利用。

參考文獻：

　　[1]周定，王建龍，侯文華.等.固定化細胞在廢水處理中的應用及前景［J］環境科學，1993，14（5）：51--59
　　[2]黃霞，俞毓馨，王蕾 固定化細胞技術在廢水處理中的應用［J] 環境科學，1993，14（1）：41--48
　　[3]孫艷，譚立揚. 用于生物降解剛酚毒物的固定化細胞性能改進的研究[J].環境科學研究.1998，11（1）：59－62.
　　[4]張亞雷.難降解有機廢水（腈綸廢水）處理工藝及其降解性能研究[D].上海；同濟大學，1999
　　[5]O′Reilly，K T.Degradation of pentachlorophenol by polyureth and immobilized flavobaterium cells[J]. Appl Environ Microbiol, 1991,55(9):2113-2113.
　　[16]Anselmo，A M.Degradation of phenol by immobilized cells of flocciferum[J]. Biotechnol Lett, 1985,7(12):889-889
　　[7]翟曉萌，李道棠 海藻酸鈉固定化包埋微生物處理有機微污染源水[J] 環境科學，2000，21（6）：80－84
　 ［8］全向春，韓力平，王建龍，等.固定化皮氏伯克霍而德氏菌降解喹琳的研究[J] 環境科學，2000，21（3）；74－76.

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　　作者簡介：楊征（1978－），男，江西萬載人，碩士研究生，電話（021）65981110。