喹啉的生物降解动力学

16卷第7期物理化学学报VoL 16 No. 72000年7月ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICAJuly, 2000喹啉的生物降解动力学刘佐才全向春(北京理工大学化工与材料学院,北京100081)韩利平王建龙(清华大学环境工程系,北京100084)关键词:喹啉,生物降解,动力学,共基质,抑制,激活学科代码:BO30401喹啉是一种典型的氮杂环化合物,在化工、医药及农药生产中经常用作溶剂和原材料,喹啉又是一种毒性大、致变性和致癌性强的物质,对人类、水生生物及植物有着很大的危害.因此随着工业废水特别是焦化废水的排放,使喹啉成为水中常见的污染物.喹啉的结构为许多人工合成化合物的基本结构,而人工合成化合物一般不易被自然界中固有的微生物识别,所以多数为难以生物降解的化合物,研究喹啉的生物降解能为研究其他人工合成化合物的生物降解提供有益的启示人们对喹啉的降解途径进行了有益旳探索μ-3,对喹啉降解的动力学也进行了研究-,已初步确定了喹啉生物降解的途径,并已筛选岀一些能降解喹啉的伉势菌种.本文是在培养岀株新的降解喹啉的伉势菌种的基础上,对其降解喹啉的动力学行为进行研究.以前的研究一般停留在用单一菌种600.00降解单一基质的阶段,实际废水一般成分复杂,我们对共基质的生物降解也进行了研究1实验(1煃喹啉的降解用无机盐培养液和一定量的纯菌悬乳022040608010液菌种为 BurkholderiaPicktt.即皮氏伯克霍尔德图1喹啉降解曲线图氏菌)配成溶液,再加入喹啉,菌污泥浓度为0.9858gFig 1 Degradation curves ofL-,喹啉浓度分别为50、100、200、500和800mgL-1,取100mL上述I )quinoline 800 mg L中国煤化工置于恒温摇床中进行培养,温度2)quinoline 500 mg L-CNMHG75rmin-,不同时间取样在高速离心机12000rmin-1下离心10min,分析4 )quinoline 100 mg L-I测量上层清液中喹啉的含量,结果见图1.片数据到切楼200到修福,联人刘练才6632瑲喹啉与其他基质的降解.分别配制不同浓度的喹啉与苯酚,喹啉与吡啶,喹啉与亚硝酸盐,喹啉与硝酸盐,喹啉与氨离子共基质的溶液,再加λ上述纯菌悬浮液.菌污泥浓度同上.分别取了3mL上述溶液放入瓦氏呼吸仪中,温度为25±1℃,震荡频率85rmin-,温度稳定后,调节测压管液面初始高度,不同时间记录测压管液面数值,得到喹啉与其他物质的代谢图2-5(Oc为比累积耗氧量)三图2喹啉与苯酚代谢图图3喹啉与吡啶代谢图Fig 2 Metabolic curves of quinolineFig 3 Metabolic curves of quinoline2)200 mg L- quinolineL4)200 mg L- quinoline +50 mg L- phenol4)200 mg L- quinoline +50 mg L- pyridine5)100 mg L-phenol5)200 mg L- quinoline+100 mg L- pyridine图4喹啉与硝酸根、亚硝酸根代谢图图5喹啉与铵离子代谢图Fig 4 Metabolic curves of quinolineFig 5 Metabolic curves of quinolinepirate radical and nitriteand ammonium2)200 mg L quinoline中国煤化工oine+20 mg L-I Nh3)200 mg L quinoline +50 mg L- NO2CN MH Goline +40 mg L-INH1)200 mg L- quinoline +100 mg L- NO25)200 mg L- quinoline +80 mg L-NHi5)200 mg L quinoline +100 mg L"NO36)200 mg L- quinoline +160 mg L- NHActa Phys.-Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao )20003制不同浓度的喹啉、葡萄糖、纯菌混合液,菌污泥浓度同前.分别取100mL溶液于具塞锥形瓶中,置于恒温摇床中培养,温度28±1℃,震荡频率175rmin-1.不同时间取样,离心分离后取上部清液进行测试,结果如图4煃喹啉的浓度测量采用HP1050高效液相色谱仪.葡萄糖浓度的测定采用荷兰BERK公司的全自动化生化测试仪图6喹啉与葡萄糖降解曲线Fig 6 degradation curve of2结果与讨论quinoline and grape sugar根据图1,假设在实验开始后的半小时内,菌量变1}qe3!εgu化不大,近为常数、喹啉的降解符合线性关系则喹啉的2)50 mg L quinoline +34 mg L- garpe sugar3)50 mg L- quinoline +60 mg L- garpe sugar初始降解速率可由下式求出:4 )50 mg L-quinoline +80 mg L garpe sugar6)50 mg L- quinoline +110 mg L- garpe sugarr为比基质去除速率,c为底物即喹啉浓度,x为7)50 mg L微生物浓度.由此得到的不同浓度下喹啉降解的比基质去除速率如图7所示.浓度很低时,比基质去除速率随喹啉浓度的升高,达到某一极大值后,开始下降,这就表明喹啉的降解符合抑制动力学 Haldane方程k采用直线化方法,以1/r对1/c作图,得到一直线,从直线的斜率和截距求得动力学参数0.4395h-,饱和常数K=166.7mgL-,通过方差分图7计算曲线与实际曲线析得到抑制常数K=650mgL-,因而得出皮氏伯克Fig 7 calculated and霍尔德氏菌降解喹啉的动力学方程为experimental curves0.43952)experimental curve1+166.7.cC该菌降解喹啉的拟合曲线与实际降解曲线如图τ所示,可见二者符合得很好.从图2可知喹啉单基质、喹啉苯酚共基质时,累积耗氧量曲线明显高于內源呼吸线,说明基质巳被微生物氧化利用,而100mgL-苯酚单基质的耗氧量曲线高于共基质的曲线,说明苯酚的存在使微生物代谢喹啉的活性受到抑制,而且苯酚浓度越大,抑制作用越大.苯酚浓度为20mg·L',最大抑制率为69%,浓度为50mgL,最大抑制率中国煤化工图3表明吡啶对B.P.sp.菌生物降解喹啉也HCNMH③度越大,抑制作用越强,浓度为30、50、100mgL-,最大扣制率分别为43%、68%、83%,说明抑制作用稍逊于苯酚.吡啶单基质的耗氧量趋于零,说明吡啶与喹啉虽有相似的氮杂环结构,但在实验的8.5h内,这株菌仍不能将吡啶氧化分解Acta Phys. -Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao)2000665图4说明50mgL的NO-2对该菌活性几乎无影响.而100mgL浓度的NO-2,初始4.5h,菌体活性有所增强,之后菌体活性比喹啉单基时有所减弱.而该浓度的NOˉs对菌体活性影响极微,因此设计生物强化系统处理喹啉废水时,可以允许亚硝酸根旳存在.硝酸根对该菌还有激活作用.因而可与脱氮工艺相结合,利用脱氮过程产生旳硝酸盐来促进喹啉降解的速率.从图5可知各种浓度的NH与喹啉共基质时耗氧量曲线几乎与喹啉单基质时的耗氧量曲线重合,说明NH对该菌的活性影响极小,这也说明喹啉与脱氮综合处理的可行性不难从图6可看岀,皮氏纯菌能够同时将喹啉和葡萄糖氧化分解.喹啉与葡萄糖共基质时的降解曲线低于喹啉单基质时的降解曲线,说明葡萄糖的存在能加快喹啉降解的速率,随着葡萄糖浓度增加,这种激活作用増强.这是因为葡萄糖旳降解为该菌提供了可利用的碳源和能量,加快了其繁殖速度,并保持很高的活性3结论皮氏伯克霍尔德氏菌降解喹啉的动力学行为符合 Haldane方程溁酚和吡啶对此起抑制作用洏NO3和葡萄糖,特别是葡萄糖对此起激活作用洏NO2和NH':对此基本无影响.这为实际处理含喹啉废水提供了很好的依据,可以据此来设计废水的综合治理方案参考文献1 Johanson S S, Licht D, Arvin E, et al. Appl. Microbiol Biotechnol, 1997, 47: 2922 Sutton S D, Plaller S L, Sham JR, et al. Applied and Environmental Microbiology, 1996, 62(8): 29103 Miethling R. Hecht V, Deckwer WD, et al. Biothechnology and Bioengineering, 1993, 42: 5894 Yu Shusheng Examine Handbook of Environmental Engineering Microbiology. China Environmental Scince Press, 1990, 166p俞疏器,环境工程微生物检验手册,中国环境科学岀版社,199,1615 Blaschke M, Kretzer A, Schaefer C, et al. Arch Microbiol, 1991 155: 167 Quan Xiangchun Master Dissertation, Beijing: Beijing Institute of Technology, 1999, 27p全向春.硕士学位论文,北京:北京理工大学,1999,27pBiodegradation Kinetics of quinolineSchool of Chemical Engineering and Materials Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)Department of Envrionmental Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084Abstract Study on quinoline biodegradation kinetics by pure cultures of B. P. sp.. kinetics con-stants of quinoline degradation were obtained. The effects of other substrates, for example, phenol,pyridine, nitrite, nitrate, ammonia and glucose, on the quinoline biotransformation by B. P. sp. werenvestigated. The effects of phenol and pyridine are inhibitive. Those of nitrate and glucose are enhanced中国煤化工Keywordsquinoline. Biodegradation KineCNMHGbitionActivationReceived 1999-10-27, revised 2000-02-08, Correspondent: Liu Zuocai