CN108017143A - 一种利用聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解的应用，该应用中利用载体辅助苯酚降解菌进行苯酚生物降解，所述载体为聚氨酯海绵，所述苯酚降解菌分别为高效降解菌及耐受浓度低的苯酚降解菌。本发明利用聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌降解苯酚，因其多孔特性不但可以对菌株具有固定化保持及缓冲作用，此外最重要的是聚氨酯海绵对苯酚具有特殊的吸附和缓释作用，可缓和其对降解菌株的毒性抑制作用。本发明应用可获得优异的辅助降解效果，降解浓度不但几乎加倍，处理时间也大为缩短。本发明对高效苯酚降解菌的降解浓度从2000mg/L可以提高到3700mg/L以上，降解时间缩短到只要不到17小时，且可连续进行。
Description
技术领域
本发明属于废水生物处理领域，具体涉及一种聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解中的应用。
背景技术
苯酚是有机合成的常用原料，广泛存在于炼焦、制药、造纸、染料、酚醛树脂合成以及石油化工等行业废水中。苯酚属于原生质毒物，对生物具有毒害作用，对人类神经系统的危害尤其严重(M.Paula et al.,Isolation and characterization of phenol-degrading denitrifying bacteria[J].Appl.Environ.Microbiol.,1998,64(7):2432-2438.)，水中酚类化合物含量达到0.005mg/L时就不能饮用，含酚量>100mg/L的灌溉水将导致农作物减产和枯死(李淑彬等.蜡状芽孢杆菌菌株Jp-A的分离鉴定及其降解苯酚特性[J],应用生态学报,2006,15(2):920-924.)，苯酚被列为国家环保局1989年通过的“水中优先控制污染物黑名单”。
苯酚污水的处理有物理、化学氧化及生物降解方法等(张锦等，含酚废水的危害及处理方法的应用特点[J].环境工程,2001,83(2):36-37)。在含酚废水处理中，吸附法具有简单易行的特点，目前较广泛采用的固体吸附剂有活性炭、磺化煤、大孔树脂等，但吸附剂需要回收利用，增加了处理成本，在低浓度苯酚废水处理中应用较多。对难回收的苯酚废水，生物降解具有温和、效率高、应用范围广、处理能力大、设备简单和不产生二次污染等特性。目前对含酚工业三废的处理仍然存在一定的难度，因为多数微生物细胞难以耐受高于500mg/L的苯酚毒性，导致在有机污染物的清除中起主要作用的微生物无法有效发挥作用，这使得利用微生物或植物进行生物修复变得十分困难。例如，在生产酚醛树脂时，所排放的废水中含有苯酚600～42000mg/L，会对生物处理过程产生明显的抑制作用。而煤化工、焦化废水中含量酚类约28-3900mg/L，石化废水中含酚约2.8-1220mg/L(L.Leve′n,K.Nyberg,A.,Schnu¨rer.Conversion of phenols during anaerobic digestion of organicsolid waste:a review of important microorganisms and impact of temperature[J].J.Environ.Manage.,2012,95:99-103.)，其中多数以苯酚形式存在。耐受高于1000mg/L的菌株已经有多种，耐受能力高于2000mg/L仍然比较少见(H.Liu et al.Biodegradationof phenol at high concentration by a novel yeast Trichosporon montevideensePHE1.Process Biochem 2011；46(8):1678–1681.)。通常将高浓度含酚废水进行焚烧、溶剂萃取、缩聚回收，或光电氧化、混凝等预处理或加水稀释来降低苯酚的浓度，这样会使得待处理废水量或成本增加。如果有耐受浓度高的苯酚降解菌或生化处理技术将会大幅简化含酚废水的处理过程及降低成本。
对降解菌加以固定化，有可能会促进其耐毒性能力的提高。生物降解菌的固定化方法有吸附、包埋、共价、交联等方法。吸附法又称载体结合法，是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，细胞与载体之间通过物理吸附、离子结合、共价结合及生物特异性吸附等作用将细胞固定在不溶性载体上。要求载体内部多孔、比表面积大、无生物毒性、传质性能良好、性质稳定、机械强度高、价格低廉。目前,常用的载体有硅藻土、多孔砖、石英砂、活性炭(活性炭海绵)、聚氨酯泡沫、大孔树脂和多孔陶瓷等。从本质上看,吸附固定法是微生物自我固定,它在废水生物处理中已被广泛应用,如生物塔滤池、生物接触氧化法、厌氧滤器、厌氧流化床等生物膜都是依靠微生物吸附于载体(填料)表面或自聚凝而成。
聚氨酯海绵具有多孔、亲水，且价格低廉易获得的优点，利用其固定化菌株在生物化工中应用获得提高的效率的报道较多，但在苯酚降解中的应用比较少见，专利CN101734801A公开了一种利用聚氨酯海绵固定白腐真菌去除水中2，4-二氯苯酚的方法，该专利只是公开了聚氨酯海绵可以固定化真菌(白腐真菌)进行氯酚的去除，并没针对苯酚的处理，并且也没有针对高浓度的氯酚或者苯酚进行处理。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解的应用。本发明利用聚氨酯海绵对苯酚的缓释作用降低苯酚的浓度及毒性，从而改善苯酚降解菌对高浓度苯酚的生物降解效率。通过该应用方法可以使得苯酚降解菌降解更高浓度苯酚，并且降解速度快，无二次污染。
技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种利用聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解的应用。
其中，所述苯酚降解菌为苯酚为唯一碳源和能源进行生长的微生物菌株，即菌株在增殖或代谢过程中可将苯酚降解为二氧化碳和水而去除，或者为可以将苯酚分解为次级代谢产物的微生物菌株，也包括含有苯酚降解菌的活性污泥体系。
其中，所述苯酚降解菌包括苯酚耐受浓度高的苯酚降解菌(浓度高于2000mg/L)或苯酚耐受浓度低的苯酚降解菌(浓度不超过500mg/L)，
本发明中具体的苯酚耐受浓度高的苯酚降解菌为丝孢酵母Trichosporonmontevideense PHE1(保藏号CGMCC No.3144)，具体苯酚耐受高浓度(高于2000mg/L)苯酚、降解速度快以及耐受重金属毒性等优势；该菌株在专利CN101659927 B中已经保藏。
本发明还验证了该应用在耐受低浓度(不超过500mg/L)的苯酚降解菌腐皮镰孢霉Fusarium solani(保藏号CGMCC No.3653)处理苯酚废水中的增效作用，该菌株在专利CN101851587B中已经保藏。两种菌株都具有利用苯酚为唯一碳源和能源的能力。
所述利用聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解的具体过程为：向适当浓度的苯酚废水中，加入聚氨酯海绵和经种子培养的苯酚降解菌，适温通气培养。
所述聚氨酯海绵具体尺寸2cm×2cm×2cm或以上的立方形海绵块，苯酚废水中通常优选，按30％(v/v)以上比例加入2cm×2cm×2cm或以上尺寸的聚氨酯海绵块。
所述经种子培养的苯酚降解菌为培养至对数期的苯酚降解菌。苯酚废水中以接种量通常按0.5g DCW/L以上接种经种子培养至对数期/稳定期的苯酚降解菌菌体。优选接种量2-3g DCW/L经种子培养至对数期/稳定期的苯酚降解菌菌体。
其中，所述通气培养温度为降解菌的适宜降解温度。通常优选20-35℃。
本发明中可以先使用低浓度(低于降解菌耐受浓度)苯酚废水加入聚氨酯海绵，接种苯酚降解菌，然后每天逐步增加苯酚浓度，直至苯酚浓度几乎达耐受浓度的2倍。然后重复利用，稳定连续降解下去。
此外，苯酚废水加入聚氨酯海绵后降解时，溶液苯酚浓度要低于苯酚降解菌的耐受浓度。
当使用高效降解菌丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1(保藏号CGMCCNo.3144)时，所述人工苯酚废水中苯酚浓度可以达到3700mg/L，降解时间不超过17小时，且可连续进行。
当使用加入经种子培养的苯酚降解菌为腐皮镰孢菌Fusarium solani(保藏号CGMCC No.3653)时苯酚废水中苯酚总浓度可逐步增加到1000mg/L，降解时间不超过24小时，且可连续进行。
本发明原理是利用聚氨酯海绵的多孔特性不但可以对菌株具有固定化及保护作用，最重要的是聚氨酯海绵对苯酚具有特殊的吸附和缓释作用，可暂时降低苯酚浓度，从而缓和其对高效降解菌如丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1的毒性及抑制作用，使得可降解浓度不但几乎加倍，处理时间也大为缩短，而且海绵可以重复利用。通过对耐受低浓度的苯酚的降解菌腐皮镰孢菌Fusarium solani(保藏号CGMCC No.3653)的验证发现，该应用具有同样类似的增效效果。
本发明中，除非特别指明，术语“含酚废水”或者“苯酚废水”是指工业过程中产生的以苯酚为主要有机污染物组成的污水，“人工苯酚废水”指的是人工模拟苯酚废水配制的含酚溶液。
本发明中的原料都是由市售可得。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明利用聚氨酯海绵对苯酚的缓释作用，大大降低了其生物毒性，使得苯酚降解菌的处理效果大为提高，如高浓度耐受降解菌丝孢酵母Trichosporon montevideensePHE1和低浓度耐受降解菌腐皮镰孢霉Fusarium solani的降解浓度比耐受浓度几乎增加一倍。
(2)本发明通过聚氨酯海绵和高效苯酚降解菌丝孢酵母Trichosporonmontevideense PHE1(CGMCC No.3144)二者的组合使得对苯酚的降解浓度从不到2000mg/L提高到3700mg/L以上，降解时间从高于30多小时缩短到只要不到17小时，与不加载体的单一生物降解效率相对大约提高2-3倍，而且可以重复连续降解下去。
(3)本发明所用材料市售聚氨酯海绵，价廉易得，且在本发明中可重复利用。
附图说明
图1为高效苯酚降解菌丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1的初始批次降解曲线比较；
图2为聚氨酯海绵吸附作用导致溶液中苯酚浓度降低效果图；
图3为聚氨酯海绵对低浓度耐受的苯酚降解菌腐皮镰孢菌Fusarium solani的增效降解结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
(1)培养基和菌种
种子培养基：胰蛋白胨5g/L、酵母膏5g/L、氯化钠10g/L、葡萄糖10g/L。斜面培养基中加入琼脂20g/L。
人工含酚废水：磷酸氢二钠6g/L、磷酸二氢钾3g/L、氯化钠0.5g/L、氯化铵10g/L、硫酸镁0.24g/L、无水氯化钙0.011g/L、苯酚0-4000mg/L根据情况调整。
培养基在121℃高压蒸汽灭菌器中灭菌15min备用。
菌种：丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1(CGMCC No.3144)以及腐皮镰孢菌Fusarium solani(CGMCC No.3653)，于冰箱4℃斜面保存。
(2)补加载体
市售聚氨酯海绵，对孔径及比表面积无特殊要求，实施例中采用聚氨酯海绵尺寸2cm×2cm×2cm，为立方形。
(3)海绵的吸附实验
不同浓度的苯酚溶液100ml中添加尺寸2cm×2cm×2cm海绵2-4块，吸附半小时后取样分析苯酚。
(4)降解菌的苯酚降解实验
菌种接种一环于200ml种子培养基多瓶，置于30℃，180r/min的摇床中进行振荡培养约24h小时。取一定体积种子培养液，离心(4000rpm，下同)，菌体采用生理盐水洗涤、离心后转移至上述人工苯酚废水中，置于30℃，180r/min的摇床中进行振荡培养，一定时间后取培养液5ml进行离心，取上层清液检测苯酚浓度。
(5)苯酚浓度测试：使用4-氨基安替比林直接光度法(国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会，《水和废水监测分析方法》[M].北京:中国环境科学出版社,1997，408-410)。
实施例1
丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1菌种接种一环于200ml种子培养基多瓶，置于30℃，180r/min的摇床中进行振荡培养24h小时，离心、水洗收集菌体。人工苯酚(浓度约1500mg/L)废水中，按照30％(v/v)加入2cm×2cm×2cm聚氨酯海绵块，接种2-3gDCW/L收集的菌体，30℃通气同时培养35小时。另以约1200mg/L苯酚废水，不加聚氨酯海绵作为对照，同样、同量接种降解菌，并于同样条件下培养。如图1所示，第一批海绵增效实验中，苯酚初始浓度1564mg/L，虽然浓度增加，比浓度1233mg/L的苯酚废水降解时间同比缩短3h，首批实验对比效果明显。
实施例2
丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1菌种接种一环于200ml种子培养基多瓶，置于30℃，180r/min的摇床中进行振荡培养24h小时，水洗、离心收集菌体。人工苯酚(浓度1700-900mg/L)废水中，按照30％(v/v)加入2cm×2cm×2cm聚氨酯海绵块，接种2-3gDCW/L收集的菌体，另外设置无海绵添加的低浓度苯酚生物降解实验为对照，30℃通气培养，开始降解后，两个对比实验中分别当苯酚耗尽时记为一批次实验，然后补加苯酚浓度为下一批次，重复至四批，对比结果如表1所示。
如表1，第一批次实验中，加了海绵的苯酚废水因为苯酚浓度较高，降解时间偏长，优势无法体现，但从第二批次开始，加海绵的降解实验优势已经非常明显，降解浓度不但大为增加，降解时间也大为缩短。到第三批降解实验，对比发现浓度虽然几乎加倍，但降解时间缩短了一半多，而且浓度已经超越了菌株耐受浓度的极限(约2500mg/L)，而且海绵可以重复利用。
表1苯酚降解实验的海绵添加效果的多批次比较
此外，为了说明海绵的吸附作用，海绵吸附苯酚实验结果如图2所示，可见溶液中苯酚约30-40％被海绵吸附，实验重复结果表明吸附的苯酚是可被生物降解的，即海绵可以生物再生，多孔海绵还具有产气泡富氧作用，满足菌株快速降解时对氧的高需求。
实施例3
腐皮镰孢菌Fusarium solani菌种接种一环于200ml种子培养基多瓶，置于30℃，180r/min的摇床中进行振荡培养24h小时，离心、水洗收集菌体。人工苯酚(浓度约500mg/L)废水中，按照30％(v/v)加入2cm×2cm×2cm海绵块，以接种量2-3g DCW/L接种菌体，置于30℃，180r/min的摇床中，28℃通气培养，每天测试剩余苯酚浓度，并补加苯酚，连续每天补加、降解，持续约两周，补加浓度以及每天测试剩余浓度如图3所示。腐皮镰孢霉Fusariumsolani的耐受苯酚浓度仅约500mg/L，在聚氨酯海绵的增效下，降解浓度增加至1000mg/L，并连续降解两周以上，显示海绵的重复利用潜力。
实施例4
实施例4与实施例1的培养降解方法相同，不同之处在于，20℃通气同时培养35小时。
实施例5
实施例5与实施例1的培养降解方法相同，不同之处在于，35℃通气同时培养35小时。
Claims (9)
1.一种利用聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述苯酚降解菌为以苯酚为唯一碳源和能源进行生长的微生物菌株，即菌株在增殖或代谢过程中可将苯酚降解为二氧化碳和水而去除，或者为可以将苯酚分解为次级代谢产物的微生物菌株，或者含有所述苯酚降解菌的活性污泥体系。
3.根据权利要求1-2任一所述的应用，其特征在于，所述苯酚降解菌包括苯酚耐受浓度高的苯酚降解菌或苯酚耐受浓度低的苯酚降解菌。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述耐受浓度高的苯酚降解菌是指苯酚耐受浓度高于2000mg/L的苯酚降解菌，所述耐受浓度低的苯酚降解菌是指苯酚耐受浓度不超过500mg/L的苯酚降解菌。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述苯酚耐受浓度高于2000mg/L的苯酚降解菌为丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1，保藏号CGMCC No.3144，所述苯酚耐受浓度不超过500mg/L的苯酚降解菌为腐皮镰孢菌Fusarium solani，保藏号CGMCCNo.3653。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述聚氨酯海绵辅助苯酚降解菌对高浓度苯酚进行增效生物降解的具体过程为：向苯酚废水中，加入聚氨酯海绵，然后加入经种子培养的苯酚降解菌，通气培养，当苯酚耗尽后补充苯酚，逐步增加苯酚浓度，连续降解下去。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述聚氨酯海绵尺寸2cm×2cm×2cm或以上尺寸的立方形海绵块。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述苯酚废水加入聚氨酯海绵后，溶液苯酚浓度低于苯酚降解菌的耐受浓度。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述经种子培养的苯酚降解菌为丝孢酵母Trichosporon montevideense PHE1，苯酚废水中苯酚总浓度可逐步增加到3700mg/L，降解时间不超过17小时，且可连续进行；所述加入经种子培养的苯酚降解菌为腐皮镰孢菌Fusarium solani，苯酚废水中苯酚总浓度可逐步增加到1000mg/L，降解时间不超过24小时，且可连续进行。
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