磁粉投加對好氧反硝化細菌效能的影響

楊基先，孫靜文，馬 放，王 強

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，150090哈爾濱;2.黑龍江省環(huán)境保護科學(xué)研究院，150056哈爾濱)

近40年來，國內(nèi)外將磁技術(shù)大量應(yīng)用到實際水處理［1-2］中.在多種磁作用方式中，磁粉價廉易得、操作方便，同時具有獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)，能夠使水分子及水中溶解的污染物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［3］，對多種物理和化學(xué)過程都會產(chǎn)生一定的影響［4-7］.同時，磁粉的微弱磁場會使微生物的活性及代謝發(fā)生一系列的變化［8-12］.任月明［13］等在SBR反應(yīng)器中投加修飾過的納米磁粉懸浮液并利用外加磁場快速分離處理后的磁性泥水混合液，發(fā)現(xiàn)磁粉活性污泥馴化成熟時間短，污泥性質(zhì)和處理能力及抗沖擊負荷能力明顯提高.Yavuz［14］等用磁性聚苯乙烯顆粒作為微生物的載體，用磁場生物流化床來處理模擬污水，發(fā)現(xiàn)有磁場的流化床內(nèi)的生物膜比對照的無磁場流化床的生物膜更薄，但結(jié)構(gòu)更致密且活性更高，水處理效率可提升26%.

為了進一步提高好氧反硝化的效能，將磁粉投入培養(yǎng)基對好氧反硝化細菌進行作用，考察磁粉對硝氮去除效能和酶活性的影響，為好氧反硝化微生物的代謝規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為好氧反硝化脫氮工藝的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù).

1 試驗

1.1 菌種

采用城市水資源與水環(huán)境重點實驗室保藏的高效好氧反硝化細菌T13(Pseudomonas sp．)．

1.2 培養(yǎng)基

采用DM［15］培養(yǎng)基作為硝酸鹽電子受體供試培養(yǎng)基，組成見表1.

表1 DM培養(yǎng)基組成g·L-1

1.3 磁粉

試驗用磁粉為分析純微磁性黑色粉末狀，化學(xué)成分為Fe3O4，粒徑小于10 μm.磁粉每次使用前在磁場中預(yù)磁化.

1.4 試驗方法

準(zhǔn)備7個規(guī)格相同的250 mL三角瓶，每瓶內(nèi)加入90 mLDM培養(yǎng)基，121℃滅菌20 min后接入10 mLT13種子液.接種后立即投入已磁化的磁粉.磁粉投加量為0.5～3.0 g/L，0.5 g/L為一個質(zhì)量濃度梯度.將7個三角瓶放入搖床內(nèi)，在30℃、120 r/min條件下培養(yǎng)24 h.

2 結(jié)果與討論

培養(yǎng)24 h后對T13的OD、硝氮去除效果、脫氫酶活性等各項指標(biāo)進行測定.

2.1 磁粉投加量對T13生長量的影響

投入不同量磁粉后培養(yǎng)24 h，T13菌株的生長吸光度見圖1.

圖1 磁粉投加量對T13生長量的影響

由圖1可見，磁粉對T13的生長量有促進作用.菌量隨著投加量的提高而增加，當(dāng)磁粉投加量達到一定值后T13生長量趨于穩(wěn)定.投加量在0.5～2.0 g/L時，隨著磁粉投加量逐漸提高，T13的生物量從0.976增加到1.043，與投加量呈正相關(guān).投磁粉后T13生長量均有所提高.

2.2 磁粉投加量對T13脫氮能力的影響

T13是實驗室保藏的高效脫氮菌種.在投加不同量磁粉培養(yǎng)24 h后T13硝氮去除率的變化如圖2.

圖2 磁粉投加量對T13硝氮去除率的影響

由圖2可見，隨著磁粉投加量的提高，硝氮去除率呈現(xiàn)先升后降的趨勢.投加量由0.5 g/L提高至2.0 g/L時，磁粉對T13硝氮去除效能的促進作用逐漸增強;投加量在2.5 g/L及以下時，硝氮去除率平均在93%以上.從2.5 g/L開始，隨著投加量繼續(xù)增加，磁粉的促進作用逐漸減弱.投加量為2.0 g/L時，硝氮去除率最高為100%，硝氮24 h去除量較未加磁粉時提高了12.61 mg/L.

2.3 磁粉投加量對T13酶活性的影響

以脫氫酶活性檢測［16］為代表考察不同磁粉投量對菌株T13內(nèi)酶活性的影響，測量前將菌液濃度調(diào)節(jié)至相同.磁粉投加量對T13脫氫酶活性的影響見圖3.

圖3 磁粉投加量對脫氫酶活性的影響

由圖3可見，投入不同量磁粉后，T13的脫氫酶活性存在顯著差異.隨著投加量的增加，T13的脫氫酶活性呈現(xiàn)先上升后下降的變化.當(dāng)磁粉投加量在0.5～2.0 g/L時，T13的脫氫酶活性隨投加量增加而逐漸提高.隨著磁粉投加量的繼續(xù)增加，磁粉對T13的脫氫酶活性的促進作用逐漸減弱.在2.5 g/L及以下時，磁粉均表現(xiàn)促進作用.投加量為3.0 g/L時，磁粉表現(xiàn)出一定抑制作用.在投加量為2.0 g/L時磁粉對脫氫酶活性的促進作用最大，脫氫酶活性為73.9 μg/(mL·h)，是未加磁粉的2.81倍.

以上實驗結(jié)果表明，磁粉對T13硝氮去除速率提高有顯著作用.微生物的新陳代謝是由酶催化進行的，酶的變化直接影響微生物的代謝.供試的DM培養(yǎng)基內(nèi)底物質(zhì)量濃度相同，且磁粉的磁場極微弱，不會誘發(fā)T13的基因突變，因此，酶量的變化不是T13去除效能出現(xiàn)差異的主要原因.磁粉產(chǎn)生微弱而無序的磁場，易影響微生物體內(nèi)的電子傳遞和化學(xué)鍵的性質(zhì)，從而影響酶蛋白活性中心的構(gòu)象，酶的活性發(fā)生改變.結(jié)合以上試驗結(jié)果和磁作用理論推斷磁粉對T13的促進作用是由磁粉產(chǎn)生的微弱磁場影響了酶的活性而引起的.脫氫酶是呼吸鏈的主干酶系，釋放出能量可以用于生物合成和維持細胞的生命活動，能反映生物體的活性狀態(tài)，大多數(shù)脫氫酶都含有由非血紅素鐵和酸不穩(wěn)定硫組成的鐵硫簇性氧化還原中心，常見形式有FS、F2S2和F4S43種空間構(gòu)象.磁作用可通過改變鐵硫鍵的鍵長和鍵角來影響鐵硫中心的構(gòu)象，進而影響脫氫酶內(nèi)鐵硫蛋白的活性，使T13的脫氫酶活性提高，加快代謝速度，提高了對T13硝氮的去除效率.

3 結(jié)論

1)通過比較投加不同量磁粉T13的生長變化，投磁粉后T13的生長量均有所提高.

2)T13的硝氮去除率和脫氫酶活性均隨磁粉投加量的增加均呈先升后降的趨勢.

3)2.0 g/L為最適磁粉投加量，在此條件下硝氮去除率和脫氫酶活性均獲得最大值.

4)磁粉通過影響好氧反硝化細菌T13的酶活性促進T13對硝氮的去除.一定量的磁粉有利于促進T13高效脫氮.將磁粉應(yīng)用于污水處理中，對新型脫氮工藝的開發(fā)及污泥減量具有積極意義.

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