高鹽度復雜染料廢水脫色菌群的降解特性

李進家,范曉丹,張道虹,袁正通,周佳瀅,王雪琦

高鹽度復雜染料廢水脫色菌群的降解特性

李進家,范曉丹*,張道虹,袁正通,周佳瀅,王雪琦

(天津城建大學環(huán)境與市政工程學院,天津水質科學與技術重點實驗室,天津 300384)

從天津市市政污泥中篩選出復雜染料脫色菌群,其經16SrDNA基因序列鑒定,主要由(12.26%)、(10.19%)、(7.07%)、(5.80%)、(3.61%)、(3.02%)組成.將其用于高鹽度復雜染料廢水的降解脫色,并研究共代謝基質和各種理化參數對染料廢水脫色的影響.結果表明,最佳共代謝基質為葡萄糖和硫酸銨;最佳脫色條件:溫度為35℃、pH值為9.0、菌群接種濃度為1.2g/L;在高鹽度條件下(50g/L),菌群能高效脫色復雜染料廢水,72h脫色率達到(87.0±2.4) %.經高效液相色譜儀(HP-LC)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)及氣相色譜質譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析,甲基橙首先被迅速降解,分散藍次之,酸性品紅的降解較慢;復雜染料的發(fā)色基團(-N=N-,-NH2,-SO3)和苯環(huán)結構被破壞;其降解產物為苯胺、乙酰胺及2-氨基-5-甲基苯甲酸等.

復雜染料；高鹽度；菌群；生物降解

據統(tǒng)計,全球每年生產約10萬種不同的染料和顏料,產量超過80余萬t;而我國染料總產量約占世界的40%[1-3].在染料的生產和使用過程中,約有10%～15%的染料被釋放到生態(tài)環(huán)境中,嚴重污染水環(huán)境[4-5].染料主要包括偶氮染料、蒽醌染料、三芳基甲烷染料、硫化染料和雜環(huán)染料等;其中,偶氮、蒽醌和三芳基甲烷染料三大染料占比超過93%[6-7].高鹽廢水是鹽度超過10g/L的廢水[8].在紡織品印染過程中為提高染料的著色效果,添加大量的無機鹽類物質,主要為氯化鈉和氯化鎂,使得印染廢水中鹽度高達40～100g/L[9-10].由于高鹽度染料廢水水質復雜、水量大、pH值變化范圍大、鹽度高、色度高、有機污染物含量高、可生物性低等,是難處理的工業(yè)廢水之一,制約著我國印染行業(yè)可持續(xù)發(fā)展[11-13].

目前,高鹽度染料廢水的處理方法包括物理法、化學法和生物法[14-15].生物法在處理低鹽度染料廢水時具有很大的優(yōu)勢,但當鹽度超過30g/L時,微生物生存環(huán)境較高的滲透壓會降低微生物代謝與生命活性,造成微生物失去其降解能力[16-19].但是,耐鹽菌和嗜鹽菌的存在,打破了高含鹽染料廢水生物法處理的局限.目前,高鹽度染料廢水的生物處理需馴化出既能降解染料又能忍受較高鹽度的菌株或者菌群;也可以通過現(xiàn)代分子生物學技術將染料降解酶基因與耐鹽基因導入繁殖力強的菌株內構建基因工程菌[20].科研工作者致力于發(fā)現(xiàn)多種脫色微生物包括細菌、真菌和藻類等[21-22].菌屬特性為革蘭氏陰性、好氧異養(yǎng)型、氧化酶陽性、過氧化氫酶陰性,能夠降解硝基苯、撲熱息痛藥物及三芳基甲烷染料等[23].菌屬為革蘭氏陰性、需氧、桿狀細菌,能在25～30℃、pH值6.0～8.0、無NaCl的瓊脂培養(yǎng)基上生長良好,該菌屬能夠降解聯(lián)苯、染料及多環(huán)芳烴等有機物;在生物接種量6.49%、pH值7.06、溫度29℃條件下脫色酸性紅,20h脫色率達到98.47%[24].菌屬為革蘭氏陰性、細胞卵圓形或桿形,能夠降解苯、硝基酚及多環(huán)芳烴等[25].目前,染料廢水的研究主要是單一微生物或菌群對單一染料的降解;生物處理高鹽度復雜染料廢水和實際紡織廢水的研究較少.

本研究采用從市政活性污泥中篩選出高效的耐鹽脫色菌群,用于含有偶氮染料甲基橙(MO)、蒽醌染料分散藍2BLN(DB-2BLN)和三芳基甲烷染料酸性品紅(AF)的高鹽度復雜染料廢水的降解脫色,研究溫度、pH值、菌群接種濃度和鹽度對復雜染料廢水降解脫色的影響,探討復雜染料廢水的降解機理,旨在為實際染料廢水的生物高效脫色提供參考.

1 材料和方法

1.1 化學試劑

表1 染料的結構式與最大吸收波長

MO、DB-2BLN和AF(表1)均購買于天津化學藥劑公司.

1.2 培養(yǎng)基

富集培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖2、NaCl10、MgSO40.2、(NH4)2SO40.2、K2HPO40.2、無水CaCl20.02、FeCl30.02.

脫色培養(yǎng)基:在富集培養(yǎng)基中加入3類染料 MO、DB-2BLN、AF.

1.3 高鹽度復雜染料廢水脫色菌群的篩選和鑒定

取100mL天津市某市政活性污泥加入到1L含有高鹽度復雜染料廢水培養(yǎng)基的反應器中進行梯度馴化.馴化培養(yǎng)基的起始染料濃度均為5mg/L,染料濃度隨時間增加而升高(5,10,15,20,25,30mg/L),每個梯度下染料廢水的色度趨于穩(wěn)定時且脫色率大于80%時馴化完成,最終得到高效染料脫色耐鹽菌群.

采用高通量測序技術檢測微生物群落組成和多樣性(Sangon Biotech, Shanghai, China).從分離菌落中提取生物DNA,使用Qubit 2.0DNA檢測試劑盒確定基因組DNA,然后確定PCR反應中的靶基因.采用細菌16S rDNA通用引物341F(CCTACAA CGACGCTCTTCCGATCTG)和805R(GACTGGAG TTCCTTGGCACCCGAGAATTCA)進行PCR擴增,擴增條件:98℃預變性(5min)、95℃變性(35s)、55℃退火(35s)、72℃延伸(1.5min),共39個循環(huán).最終,通過NCBI數據庫比對和數據統(tǒng)計分析得到菌落組成和豐度.

1.4 高鹽度復雜染料廢水的脫色和生物降解

本研究以MO、AF、DB-2BLN(質量濃度比1:1:1)及氯化鈉組成模擬復雜染料廢水;其中染料濃度為60mg/L.在不同時間間隔(0,24,48,72h)測定復雜染料廢水的吸光度.采用紫外-可見分光光度計(Shimadzu, Japan)測定復雜染料廢水在可見范圍(200～900nm)內最大吸收值,可能由于染料分子間的干擾和吸收帶的重疊,復雜染料的最大吸收波長為480nm.取配制好的復雜染料廢水200mL于250mL三角瓶中,并接種特定濃度的菌群,在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中好氧條件下處理高鹽度復雜染料廢水;研究確定了不同培養(yǎng)基組成(葡萄糖、酵母提取物、淀粉、(NH4)2SO4、NH4Cl、蛋白胨和尿素)中復雜染料脫色的最佳協(xié)同代謝底物,以及不同理化參數下菌群對復雜染料脫色的影響,每次實驗都通過改變單一因素來保持預優(yōu)化值在恒定的水平.理化參數包括:溫度20,25,30,35,40℃;菌群接種濃度0.6,1.2,1.8, 2.4g/L;用1mol/L HCl和1mol/L NaOH分別將培養(yǎng)基pH值調整為4,5,6,7,8,9,10;其中溫度、pH值及接種濃度實驗中,模擬染料廢水的鹽度設置為10g/L;為探究鹽度對染料廢水脫色的影響,將模擬染料廢水鹽度調整為10,30,50,70,100g/L.用菌群與滅活菌群對照實驗探究菌群對模擬染料廢水的生物吸附與降解.用不含生物接種的對照試驗檢測混合染料的非生物損失,所有脫色實驗都進行3次重復.

1.5 分析方法

取不同時間段上清液,5000r/min離心10min,然后測定溶液降解前后的吸光度().用脫色率來表征菌群對復雜染料的脫色能力,脫色率計算公式如下:

式中:0為復雜染料廢水的初始吸光度;A為復雜染料廢水降解后的吸光度.

染料降解上清液經5000r/min離心后用0.45μm濾膜過濾后進行超高壓液相色譜(HP-LC)分析(Shimadzu, Japan).HP-LC分析采用C18柱(Shimadzu, 4.6mm×75mm),流動相為甲醇和水(, 60:40),流速為0.3mL/min,樣品進樣體積10μL,檢測波長560,464nm.用固相萃取(SPE)技術分離提取上清液中的染料代謝物,分離液先加入無水硫酸鈉,然后旋轉蒸發(fā)儀干燥后再進行FT-IR分析.將旋轉蒸發(fā)的樣品溶解于甲醇中,使用GC-MS (Shimadzu 2010)分析代謝物.GC-MS分析條件:HP1毛細管柱(60m×0.25mm×0.25μm),載氣(He)流速為1mL/min,進樣量1μL,進樣口溫度250℃.色譜柱程序升溫:首先40℃保持5min,以10℃/min升至100℃,再以5℃/min升至200℃,再以20℃/min升至270℃并保持5min,最后以10℃/min升至300℃保持5min.最終,化合物的鑒定是基于質譜和NIST數據庫.

2 結果與討論

2.1 高鹽度復雜染料廢水脫色菌群(DMAD)的組成

基于16SrDNA基因序列和NCBI數據庫比對,馴化菌落中微生物的組成和豐度如圖1所示.脫色菌群的主要組成為:(12.26%)(10.19%),(7.07%)(5.80%)(3.61%),(3.02%).鑒于菌群能夠脫色MO、AF及DB-2BLN,故將菌群命名為DMAD. Liu等[26]發(fā)現(xiàn)能夠高效降解三苯基甲烷染料廢水. Wang等[27]發(fā)現(xiàn)能降解三氯生,三氯生結構與甲基橙相似均含有2個苯環(huán). Wu等[28]報道了和可以降解焦化廢水中的苯并芘,并且破壞苯并芘結構中的苯環(huán). Kumar等[29]研究了在降解纖維素和木質纖維素的過程中分泌木質素過氧化物酶、漆酶和錳過氧化物酶,這3種酶也是破壞染料分子結構的關鍵性酶.由于不同菌株間的共代謝,菌群能夠提高復雜染料的降解效率. Khehra等[30]研究了菌群降解酸性紅88,該菌落由4個單菌株組成,20h內對20mg/L的酸性紅88完全脫色,而單一菌株完全脫色需要60h.已有的研究并未報道本實驗所篩選的菌屬、和降解染料廢水.

圖1 菌群分類與豐度

2.2 高鹽度復雜染料廢水脫色菌群的脫色影響因素

在保持其他成分一定的條件下,在液體培養(yǎng)基中分別加入不同底物,研究不同共代謝基質對菌群DMAD脫色高鹽度復雜染料廢水的影響(表2).共代謝基質包括碳源與氮源,能促進微生物的生長和提供電子.如表2所示,與對照實驗相比,添加碳源能夠顯著提高復雜染料廢水的脫色率,這與已有研究沒有任何碳源補充的條件下微生物很難對染料廢水進行降解的結果相符.本研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖作為碳源,脫色率遠高于酵母膏和淀粉,加入葡萄糖復雜染料廢水72h的脫色率可以達到87.2%.酵母膏和淀粉作為碳源時,復雜染料廢水72h脫色率僅約為60.0%.這是由于葡萄糖易于吸收和代謝,促進微生物的生長和繁殖,提高其抵抗外界干擾的能力,而且葡萄糖作為最佳協(xié)同代謝底物,可以激活特異性酶的分泌,特異性酶可促進染料的快速降解.此外,共代謝基質也可以作為電子供體,加速染料分子中發(fā)色基團的還原和裂解.Seesuriyachan等[31]研究了干酪乳桿菌TISTR 1500對偶氮染料的脫色降解也得到了類似的結果.

表2 碳源、氮源對復雜染料廢水脫色的影響

由表2可知,加入氮源后,復雜染料廢水處理72h的脫色率均超過78.0%;其中蛋白胨和硫酸銨為氮源時,染料廢水72h脫色率分別為87.8%和87.0%,這表明加入合適的氮源是提高復雜染料脫色的有效方法.由于蛋白胨成分復雜.硫酸銨是一種較易被微生物生長利用的無機物且價格低廉.因此,本研究選擇硫酸銨為最佳氮源.

生物降解效率取決于環(huán)境因素,如pH值、溫度、生物接種濃度、鹽度、營養(yǎng)物利用率和污染物濃度[32].本實驗主要研究溫度、pH值、菌群接種濃度、鹽度對高鹽度復雜染料脫色的影響(圖2).如圖2a所示,隨著溫度從20℃升高到35℃,高鹽度復雜染料廢水的脫色率逐漸增大,當溫度為30和40℃時,脫色率基本相同,但明顯高于20和25℃;35℃條件下,復雜染料96h脫色率可達到90.2%.這是由于溫度主要影響微生物生長和降解酶的分泌.適當的升高溫度可以促進細菌的生長和繁殖,增加細菌數量,提高染料降解酶(如偶氮還原酶、錳過氧化物酶、漆酶和NADH-DCIP還原酶)的活性和反應速率.但是溫度超過35℃時,過高的溫度加速了細胞的死亡,導致微生物數量的減少,胞外酶的分泌也減少,進而導致脫色率下降.已有研究表明,細菌脫色的最佳溫度范圍較窄,且非最佳溫度對染料脫色影響較大.本研究菌群在30～40℃的溫度范圍內均表現(xiàn)出良好的脫色能力,表明構成研究脫色菌群的菌株對溫度的適應性較強.

由圖2b所示,隨著pH值從4.0增加到6.0,復雜染料廢水的脫色率逐漸增大,在pH6.0～9.0染料廢水處理72h的脫色率均達到85.0%以上,然而pH值為10.0時染料廢水脫色率又有所下降.復雜染料廢水在pH9.0時獲得最佳脫色率,為90.7%,表明本研究脫色菌群DMAD在堿性條件下仍具有較高的脫色效率,由于微生物細胞在酸、堿性條件下,為保護自身的生命活動,關閉了與外界物質交換的細胞膜通道,導致代謝活性降低,細胞外酶的產生和分泌減少,這使得大多數微生物更適合中性生長環(huán)境.而實際染料廢水一般pH值為6～10,本研究脫色菌群在此范圍具有較好的脫色效果,滿足實際染料廢水的酸堿性條件.Hsueh等[33]研究白腐菌群對不同染料的脫色也得到類似的結果,在pH7～9時,染料脫色效果最佳.

如圖2c所示,隨著生物接種濃度從0.6g/L增加到2.4g/L,復雜染料廢水的脫色率逐漸提高.當接種濃度為2.4g/L時,復雜染料廢水處理72h的脫色率達到91.0%.然而接種濃度從1.2g/L增加到2.4g/L,脫色率增加幅度趨緩.這是由于增加接種濃度可以縮短微生物的生長周期,有利于細菌在有限時間內降解污染物;但是接種濃度增加會加快碳源的分解代謝,不同菌株由于互相競爭而缺乏營養(yǎng),導致菌體活性降低甚至死亡.因此,本研究脫色菌群接種濃度選取1.2g/L.

由圖2d所示,5組實驗中復雜染料廢水處理72h的脫色率均超過70%;當鹽度為10g/L時,復雜染料24h的脫色速率明顯高于48和72h,而72h脫色率最終達到(91.7±2.6)%;隨著鹽度(10～70g/L)的增加,復雜染料廢水的脫色率顯著降低;當鹽度為100g/L時,復雜染料廢水處理72h的脫色率顯著下降(74.2%).這是由于鹽度升高增加了細胞外環(huán)境的滲透壓,微生物關閉了細胞膜表面的物質交換通道來維持生命,從而降低微生物菌體胞外酶的分泌,高鹽度也會導致細菌細胞因過度脫水死亡.本研究中,菌群能耐受100g/L的NaCl,但脫色率明顯降低,鹽度為70g/L時,復雜染料72h的脫色率為84.0%.選取NaCl濃度50g/L為生長鹽度,菌群既能達到較高的脫色率(87.0±2.4)%,又能忍受較高鹽度.張祿艷等[34]報道活性污泥在高鹽條件下(NaCl 100g/L) 脫色和降解酸性橙7,最大脫色率為92.0%.

圖2 理化參數對高鹽度復雜染料廢水脫色的影響

a.溫度; b.pH值;c.接種濃度; d.鹽度

2.3 復雜染料廢水的吸附與降解脫色

圖3 高鹽度復雜染料廢水的生物吸附和降解

在相同時間內,滅活菌群對染料廢水的脫色率約為14.0%;而菌群DMAD對高鹽度復雜染料廢水處理72h,其脫色率可達(91.2±1.8)%(圖3).這表明本研究脫色菌群DMAD對復雜染料廢水的去除包括生物吸附和生物降解,以生物降解為主.生物降解染料的第1階段是將染料分子吸附于菌體細胞壁表面,通過細胞壁表面帶有正負電荷能夠吸附帶有相反電荷的染料分子;第2階段是酶降解,微生物分泌染料降解相關酶,通過氧化還原反應破壞裂解染料發(fā)色基團和分子結構[35].

2.4 高鹽度復雜染料廢水的脫色機理

由圖4可見,由于物質間的干擾和吸收帶的重疊,復雜染料廢水的最大吸收波長為480nm(吸收峰1),吸收峰1主要由染料分子含有的4種官能團(-N= N-、-NH2、-OH和-SO3)的電子躍遷產生,吸收峰3(280nm)代表芳香類物質.經過24h的生物處理,峰1消失,表明MO被吸附降解;在545nm處出現(xiàn)新的吸收峰2,其對應物質為AF和DB-2BLN,表明MO已被生物降解.生物反應48h,吸收峰2與峰3消失,表明AF和DB-2BLN逐漸被降解.生物處理72h,紫外吸收峰完全消失,染料廢水被完全脫色降解.

圖4 復雜染料廢水降解的UV-Vis光譜

如圖5所示,使用HP-LC分析高鹽度復雜染料廢水脫色機理.數據顯示MO峰保留時間1.375min, AF為0.618min,DB-2BLN為6.189min.經過36h生物降解,MO峰消失,AF和DB-2BLN峰值下降,降解中間體在6.778 ,7.061min出現(xiàn)新吸收峰.這表明MO較AF與DB-2BLN更易被菌群DMAD降解,因為AF與DB-2BLN分子結構中苯環(huán)數量多、結構復雜,-C=C-鍵能大于-N=N-鍵能,需要消耗較多能量與電子.生物降解72h,AF和DB-2BLN峰型均消失,在保留時間2.422,4.656,6.242,6.781,7.087min出現(xiàn)小吸收峰.因此,菌群處理復雜染料廢水,首先降解MO,然后降解難代謝物AF與DB-2BLN.

a. 0h; b. 36h; c. 72h

2.5 高鹽度復雜染料廢水生物降解分析

采用FT-IR對不同時間段染料降解產物的官能團結構進行分析(圖6).降解前,復雜染料在694,1118, 1354,1620cm-1吸收峰分別為-C-S伸縮振動、C-N拉伸振動、S=O伸縮振動和-C=O伸縮振動;1656, 2924和3427cm-1吸收峰分別為-N=N-、-CH3和-N-H的伸縮振動.生物降解24h,1656cm-1(-N=N-)吸收峰消失,MO分子結構中-N=N-被還原裂解.生物降解48h后,在834cm?1出現(xiàn)吸收峰為芳香環(huán)振動,表明微生物降解混合染料會產生苯環(huán)中間體.經過72h降解,2850cm?1吸收峰為-CH2拉伸振動;834cm-1處苯環(huán)吸收峰消失,說明苯環(huán)已被打開;694cm-1處C-S的消失表明染料顯色基團磺酸基被破壞.復雜染料的生物降解過程中發(fā)色基團-N=N-、-SO3及染料分子結構被破壞,形成苯環(huán)、苯胺中間產物.

為驗證紅外光譜分析發(fā)色基團(-N=N-、C-S)及苯環(huán)的裂解,采用GC-MS對染料廢水的降解產物進一步分析,其結果如圖7所示.菌群對偶氮染料MO的生物降解,首先破壞分子結構中偶氮鍵(-N=N-)形成苯胺(13.600min),通過進一步酶降解苯胺最終形成乙酰胺(7.943min).菌群降解AF破壞三芳基結構,形成2-氨基-5-甲基苯甲酸(9.433min),該物質被再次降解形成O-乙?；?L-絲氨酸(7.400min).菌群破壞DB-2BLN分子結構,形成鄰苯二甲酸單乙酯(25.660min);由于DB-2BLN分子中含有溴原子,在染料分子降解過程會形成4-溴丁酸(8.680min)物質.

圖6 高鹽度復雜染料廢水FT-IR分析

圖7 復雜染料廢水降解中間產物GC-MS譜圖

3 結論

3.1 從市政活性污泥中馴化分離的高效脫色耐鹽菌群DMAD,經鑒定該菌群由(12.26%)、(10.19%)、(7.07%)、(5.80%)、(3.61%)、(3.02%)組成.

3.2 葡萄糖和硫酸銨為共代謝基質,復雜染料廢水脫色效果較好;菌群接種濃度對復雜染料廢水脫色影響較小;隨著pH值及溫度的增加,耐鹽菌群DMAD對復雜染料廢水的脫色率均呈先升高后降低的變化趨勢.在菌群接種濃度1.2g/L、溫度為35℃、pH值為9.0及鹽度10g/L的條件下其脫色率可達(91.7±2.6)%;在鹽度為50g/L時,復雜染料廢水72h脫色率仍達到(87.0±2.4)%,這表明該菌群能夠忍受較高鹽度,可作為新型耐鹽菌群.

3.3 復雜染料廢水中MO首先被生物降解,然后是DB-2BLN與AF.降解過程中發(fā)色基團(-N=N-,C-S)及苯環(huán)發(fā)生裂解,形成-NH2、-CH2等官能團,降解產物:苯胺(13.600min)、乙酰胺(7.943min)、2-氨基-5-甲基苯甲酸(9.433min)、O-乙?；?L-絲氨酸(7.400min)、4-溴丁酸(8.680min)及鄰苯二甲酸單乙酯(25.660min)等.

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致謝：感謝天津市水質科學與技術實驗中心提供的儀器分析與指導.

Biodegradation characteristics of high-salinity complex dyes wastewater with high salinity by the bacterial consortium.

LI Jin-jia, FAN Xiao-dan*, ZHANG Dao-hong, YUAN Zheng-tong, ZHOU Jia-ying, WANG Xue-qi

(Tianjin Key Laboratory of Water Aquatic Science and Technology, School of Environmental and Municipal Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)., 2021,41(6)：2631～2638

In this study, a bacterial consortium was isolated from municipal activated sludge from Tianjin, China. Identification via 16SrDNA sequencing showed that it was mainly consisted of(12.26%),(10.19%),(7.07%),(5.80%),(3.61%), and(3.02%). The decolorization conditions of high- salinity complex dyes wastewater, such as co-metabolic substrates as well as various physical and chemical parameters, were studied. The results showed that the best co-metabolic substations for the decolorization of complex dyes wastewater were glucose and ammonium sulfate. The optimum decolorization conditions were 35℃, pH 9.0, and inoculum concentration of 1.2g/L. Under the condition of high salinity (50g/L), the decolorization efficiency of complex dyes wastewater reached (87±2.4) % within 72h. Methyl orange was degraded first, followed by disperse blue, while acid fuchsin had a slow degradation rate. The chromophore groups (-N=N-, -NH2, and -SO3) and the benzene rings of complex dyes were destroyed, as identified with by high performance liquid chromatography and Fourier transform infrared spectroscopy. Degradation metabolites included aniline, acetamide, and 2-amino-5-methylbenzoic acid as identified by gas chromatography mass spectrometry.

complex dyes；high salinity；bacterial consortium；biodegradation

X511

A

1000-6923(2021)06-2631-08

2020-10-13

國家自然科學基金(51808378)

* 責任作者, 教授, fanxiaodan.kai@163.com

李進家(1992-),男,河南開封人,天津城建大學碩士研究生,主要從事工業(yè)水處理研究.發(fā)表論文2篇.