 Water Pollution and Treatment水污染及处理, 2013, 1, 7-11 http://dx.doi.org/10.12677/wpt.2013.11002 Published Online October 2013 (http://www.hanspub.org/journal/wpt.html) Biosorption and Degradation of Benzopyren Contaminated Wastewater by Microorganisms* Yusi Zhu, Shuyan Zang#, Haixuan Wu, Hailong Zhang, Shubo He, Liang Kong, Jing Guan Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Email: #zangshuyan@126.com Received: Aug. 16th, 2013; revised: Aug. 19th, 2013; accepted: Aug. 21st, 2013 Copyright © 2013 Shuyan Zang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The biosorption and degradation of benzopyren (BaP) which is related to toxicity, mutagenesis and carcinogenesis were investigated through the fungus Aspergillus niger and Pseudomonas sp. Under the ex- perimental conditions, the optimal concentration range of BaP was <160 μg/mL by biosorption of these two microorganisms, and <80 μg/mL by degradation. The most suitable temperature range for biosorption of BaP was 20˚C - 40˚C, and 25˚C - 30˚C for degradation. The suitable time of BaP biosorption for above two mi- croorganisms was 60 min, and 6 d for BaP degradation. The experimental results provided a theoretical basis for rapid recovery and removal of persistent organic pollutants. Keywords: Biosorption; Degradation; Bap; Aspergillus niger; Pseudomonas 微生物对污染废水中苯并(a)芘的吸附与降解研究* 朱雨思，臧淑艳#，吴海璇，张海龙，何树波，孔 亮，管 晶 沈阳化工大学应用化学学院，沈阳 Email: #zangshuyan@126.com 收稿日期：2013 年8月16 日；修回日期：2013年8月19日；录用日期：2013 年8月21 日 摘 要：以具有致癌、致畸和致突变作用的苯并(a)芘(BaP)为目标污染物，研究真菌黑曲霉和细菌假单 胞对污染废水中BaP 的吸附与降解。实验条件下，BaP 的有效吸附浓度范围是 c(BaP) < 160 μg/mL， 降解浓度范围是 c(BaP) < 80 μg/mL；对 BaP 有效吸附的温度范围是 20℃~40℃，适合的降解温度是 25℃~30℃；吸附平衡时间为60 min，降解平衡期为 6 d。实验结果为难降解的持久有机污染物的快速 回收与去除提供了理论依据。 关键词：吸附；降解；苯并(a)芘；黑曲霉；假单胞菌 1. 引言 随着工业的发展，从药物、石油化工、油脂、溶 剂、农药以及其他工业向环境排放的有机污染物日益 增多，并通过各种途径进入土壤/地下水，引起有机污 染[1-3]。苯并(a)芘(BaP)是一种具有潜在的致癌、致畸 和致突变作用的多环芳烃(PAHs)，能通过食物链生物 富集，对土壤和地下水造成污染[4]。美国环保局将其 列入优先控制有毒有机污染物的黑名单。 *基金项目：石油污染海域中苯并(a)芘和汞复合污染的强化修复原 理及调控机制(F12-277-1-84)；辽宁省高等学校杰出青年学者成长 计划(LJQ2011041)；辽宁省自然科学基金项目(201202176)。 #通讯作者。 处理BaP 的传统方法多为物理法和化学法，虽然 Copyright © 2013 Hanspub 7  微生物对污染废水中苯并(a)芘的吸附与降解研究 各有优点但存在投资大、能耗高、操作困难、易产生 二次污染等缺点[5]。随着生物技术的发展与应用，生 物吸附法处理有机污水以其来源丰富、操作简单、成 本低、吸附速率快、处理低浓度废水效果好、不造成 二次污染等优点而备受关注[6]。由于微生物种类繁多、 分布广、适应性强，微生物来源广泛且具有操作简单 和易于工业化生产等特点，在去除污染废水方面具有 广阔的应用前景[7]。Cerniglia 等运用小克银汉菌株， 以葡萄糖为生长基质，投加BaP 53.1 μmol•L−1的情况 下培养 96 h，BaP 去除率达 18.4%；Woods 等运用酵 母菌，以葡萄糖为生长基质，投加BaP 5 mg·L−1， 培养 2 d，BaP 去除率达 68%；Stanley 等运用青霉菌， 生长基质为麦芽糖、酵母膏、蛋白胨、右旋糖，投加 BaP 50 mg·L−1，培养 56 d，BaP 去除率达 61%[8]。 本文在前期研究结果的基础上，运用复合菌的协同作 用，研究了黑曲霉和假单胞对实验室模拟废水中BaP 的吸附与降解。 2. 实验材料与方法 2.1. 药品 硝酸铵、水合硫酸镁、二水氯化钙、七水硫酸亚 铁、磷酸二氢钾、十二水磷酸氢二钠、一水硫酸锰、 葡萄糖、甲醇、丙酮、乙酸乙酯、蔗糖、二氯甲烷、 水杨酸、邻苯二甲酸、琥珀酸钠均为市售分析纯化学 试剂，BaP 购自 Fluka 公司，纯度大于 97%。 制备真菌培养基：NH4NO3，1 g；MgSO4·7H2O， 0.2 g；CaCl2·2H2O，0.01 g；FeSO4·7H2O，0.01 g； KH2PO4，0.4 g；Na2HPO4·12H2O，0.6 g；MnSO4·H2O， 0.02 g；葡萄糖，0.5 g；以蒸馏水定容至 1.0 L，pH 自 然(pH 7.0)。 制备细菌培养基：MgSO 4·7H2O，0.2 g； CaCl2·2H2O，0.01 g；FeSO4·7H2O，0.01 g；KH2PO 4， 0.4 g；Na2HPO4·12H2O，0.6 g；MnSO4·H2O，0.02 g；NH4NO3，1 g；葡萄糖，0.5 g；以蒸馏水定容至 1.0L，pH 7.0~7.6，121℃蒸汽灭菌 30 min。 实验所用微生物为真菌黑曲霉和细菌假单胞(从 辽河油田石油污染土壤中分离而得)，并经细菌培养用 BaP 驯化。 2.2. 主要仪器 自动手提式灭菌器，YXQ-LS-18SI 型，上海博讯 实业有限公司医疗设备厂；净化工作台，SW-CJ-1D(1 G)型，苏州净化设备有限公司；伍丰高效液相色谱仪， LC-100，上海伍丰科学仪器有限公司；数显双层气浴 振荡器，ZD-85 型，金坛市杰瑞电器有限公司。 3. 实验方法 250 mL 锥形瓶中加入40 mL 的培养基，调节pH 值至 6.5~7.0 范围内，加入一定量 BaP（微量丙酮助 溶）后高温灭菌，按10%(V/V)的量进行接种，即制 成黑曲霉和假单胞菌各加 5%(V/V)的菌悬液。30℃， 调整摇床转数然后放于振荡器培养，一定时间后取样 测定。 BaP 的定性与定量：定时定量取样，以二氯甲烷 超声萃取残留目标污染物，合并提取液。用微量移液 管取 0.10 0mL于K. D.浓缩器，氮气吹干后，再以甲 醇定容到1.00 mL。当BaP 含量很低时，将合并的提 取液，用旋转蒸发仪浓缩近干，再以甲醇定容到 1.00 mL，移入色谱进样瓶，用高效液相色谱测定[9]。检测 波长为 290 nm；柱温 38℃；流动相为 100%甲醇，流 速：0.5 mL/min；进样量：10 μL。以 BaP 的纯品做定 性，用外标法定量。 3.1. 黑曲霉与假单胞菌对 BaP 吸附降解能力 为确定不同BaP 浓度下黑曲霉与假单胞菌对BaP 的吸附能力，我们设计了 8组实验，各组 BaP 的浓度 分别为 0 μg/mL、40 μg/mL、60 μg/mL、80 μg/mL、 100 μg/mL、140 μg/mL、160 μg/mL、200 μg/mL，60min (主要是考察两个菌种对不同浓度的BaP的吸附)和8d 主要是考察两个菌种对不同浓度的BaP 的降解)分别 取样，其他同2.1。 3.2. 黑曲霉与假单胞菌对 BaP 吸附降解 反应温度 实验设为 5组，每组的温度分别为 20℃、25℃、 30℃、35 ℃和 40℃；各组 BaP 的浓度是在2.1 实验后 确定的最佳值，其他同上。 3.3. 黑曲霉与假单胞菌对 BaP 吸附降解 反应时间 设计 5组实验，取样时间分别为 0 min、20 min、 40 min、60 min、2 d、4 d、6 d、8 d，温度和浓度均 Copyright © 2013 Hanspub 8  微生物对污染废水中苯并(a)芘的吸附与降解研究 Copyright © 2013 Hanspub 9 率为最大。 为上述实验结果的最佳值，其他同上。 4.2. 反应温度对吸附和降解的影响 3.4. 黑曲霉与假单胞菌吸附降解 BaP时空气浴 振荡器转数 温度对污染物质的微生物吸附与降解都有一定 的影响。有些微生物只能在适宜的温度下才能具有活 性。 实验分为 5组，空气浴振荡器转数分别为 50 rpm、 100 rpm、150 rpm、200 rpm和250 rpm，温度、浓度、 取样时间和复合菌加菌量均为上述实验结果的最佳 值，其他同上。 由图 2可以看出，20℃~40℃范围内，微生物对 BaP 的吸附率变化整体看趋势比较平稳，随着温度升 高，吸附率略有增大(47.4%~54.7%)；微生物对 BaP 的降解率变化较大：当温度从20℃升到 30℃，BaP 降解率迅速提高(48.67~73.8%)，当BaP 的降解温度再 升高时降解率增大变缓，40℃时，BaP降解率开始下 降。 4. 结果与讨论 4.1. BaP浓度对吸附和降解的影响 污染物质浓度对吸附率和降解率有很大影响。由 图1可以看出，在一定实验浓度范围内(0~200 μg/mL)， 随着 BaP浓度的增加，黑曲霉和假单胞菌对BaP 的吸 附率也呈现增加趋势，基本符合单分子层吸附行为。 但是当浓度大于160 μg/mL 时，2株菌对 BaP 的吸附 率降低。160 μg/mL对BaP 是最佳实验浓度；从BaP 的微生物降解的角度而言，BaP 浓度在 80 μg/mL 降解 4.3. 反应时间对微生物去除 BaP 的影响 取样时间对微生物吸附和降解BaP 的影响较大， 就吸附而言，时间短，吸附不完全；时间过长则原有 吸附位点的 BaP 可能随着培养摇床的转动被解吸下 来，所以适合的吸附时间要经试验得出。 0 20 40 60 80 100 40 6080 100 140 160200 BaP浓度 μg/mL 降解率% 吸附% 降解% Figure 1. The BaP concentration choice 图1. BaP浓度的选择 0 20 40 60 80 100 20 25 30 3540 温度（℃） 降解率% 降解% 吸附% Figure 2. The influence of temperature on the adsorption and degradation of BaP 图2. 温度对 BaP 吸附与降解的影响  微生物对污染废水中苯并(a)芘的吸附与降解研究 由图 3(a)可以看出，本实验所用的复合微生物从 20~60 min迅速吸附 BaP，大于 60 min后，吸附率呈 缓慢递增趋势。由图3(b) 可以看出，降解时间从 0~6 d 内迅速提高，6 d 后提升缓慢。 4.4. 空气振荡器转数对去除 BaP 的影响 空气浴振荡器对以摇瓶培养的微生物的含氧量 有很大影响。而 BaP 的微生物吸附和转数有关，转数 太低表面接触机会较少，转数太高则刚吸附的物质容 易被甩下来。由图4可以看出，转数从 50r 到200r， 吸附率上升较快，当转数大于200r 时，吸附率反而比 较低。对于 BaP的降解而言，转数从 50~150r 范围内， BaP 的降解速率上升较快；当转数达到200r 时，BaP 的降解率几乎没有变化。 30 40 50 60 70 80 20 40 6080 100 时间（min） 吸附率% 吸附% (a) 0 20 40 60 80 100 0 2 468 10 时间（d） 降解率% 降解% (b) Figure 3. (a) sorption equilibrium time (b) degradation time of choice 图3. (a) 吸附平衡时间 (b) 降解时间的选择 0 20 40 60 80 100 50 100150 200250 转数（r） BaP 的去除% 降解% 吸附% Figure 4. Air oscillator the influence of the revolution 图4. 空气振荡器转数的影响 Copyright © 2013 Hanspub 10  微生物对污染废水中苯并(a)芘的吸附与降解研究 5. 结论 本文是以复合微生物（黑曲霉和假单胞菌）对模 拟海水中的BaP 进行去除研究。同时考察了BaP 的微 生物吸附和降解效果。结果表明：采用复合微生物以 吸附的方式对 BaP 进行去除的最佳浓度为160 μg/mL；当以降解的方式对BaP 进行去除的最佳浓度 是80 μg/mL。当采用黑曲霉和假单胞菌以吸附的方法 去除 BaP时，适宜温度为20 ℃~40℃；当采用黑曲霉 和假单胞菌以微生物降解BaP 时，宜采用的温度范围 是25℃~30℃。BaP 的微生物降解时间采用 6 d。从 BaP 的去除效果和节约能源的角度而言，空气振荡器 的转数宜采用150 rpm。 BaP 是一种具有致畸、致癌和致突变作用的多环 芳烃化合物，在环境中分布很广，人们通过大气、水、 食品、吸烟等都能摄取。因此，以后的研究宜运用我 国特定地域筛选出的菌株，同时研究BaP 的微生物降 解和吸附，优化其参数，在实际环境中，可以更好地 为指导实地污染的治理与修复提供依据。 参考文献 (References) [1] Y.-P. Lei, Y. Shi. Adsorption of benzo(a)pyrene from waste water by organobentonite. Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2007, 6: 23-27. [2] 金文娟, 程鹏, 胡志雄, 齐玉堂, 谢明, 张维农. 食用油烹饪 过程中苯并(a)芘(BaP)含量的变化[J]. 武汉工业学院学报, 2012, (4): 9-13. [3] 漆叶琼, 张佳涛, 潘向辉, 裴家伟. 张柏林乳杆菌吸附苯并(a) 芘的特性[J]. 微生物学报, 2011, (7): 956-964. [4] 信维平. 苯并芘的致癌性及快速检测[J]. 研究与实验, 2000, (2): 16-17. [5] 蔡佳亮, 黄艺, 礼晓. 生物吸附剂对污染物吸附的细胞学机 理[J]. 生态学志, 2008, 27(6): 1005-1011. [6] R. A. Kanaly, R. Bartha, K. Watanabc, et al. Rapid mineralize- tion of benzo(a)pyrene by a microbial consortium growing on diesel fuel. Applied and Environmental Microbiology, 2000, 66(10): 4205-4211. [7] A. R. Jeremy, J. J. Pedro and J. L. Alvarez. Benzo(a)pyrene degradation by Sphingomonas yanoikuyae JAR02. Environment Pollution, 2008, 151(3): 669-667. [8] 张玉刚, 龙新宪, 陈雪梅. 微生物处理重金属废水的研究进 展[J]. 环境科学与技术, 2008, 31: 58-63. [9] 蔡佳亮, 黄艺, 郑维爽. 生物吸附剂对废水重金属污染物的 吸附过程和影响因子研究进展[J]. 农业环境科学学报, 2008, 27: 1297-1305. Copyright © 2013 Hanspub 11 |