CN111924980A - 纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用 - Google Patents

纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用 Download PDF

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Abstract

纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，属于微生物技术领域。所述菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCC No.10053，保藏名称为Lysinibacillus fusiformis WTXJ1‑4，保藏日期为2014年11月25日。通过单因素试验和正交试验优化，确定了该菌株对富营养废水中六价铬的适宜生物吸附条件为：pH2.0、重铬酸钾初始浓度50 mg/L、吸附时间24 h、湿菌体用量1.0 g/L、吸附温度34℃和转速160 r/min。在此优化吸附条件达平衡时，WTXJ1‑4活菌体对富营养废水中六价铬和总铬的去除率分别达91.6%~94.8%和42.2%~43.8%。Lysinibacillus fusiformis WTXJ1‑4活菌体对富营养废水中六价铬具有很强的吸附‑还原性、耐受性和抗性，其作用范围分别为重铬酸钾浓度0~100 mg/L、100~300 mg/L和300~500 mg/L。

Description

纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用
技术领域
本发明属于微生物技术领域，具体涉及一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用。
背景技术
与传统的去除或回收废物中金属的化学技术和物理技术相比，生物吸附更具经济和环境可行性，已成为一种很具前景的环保节能型重金属污(废)水、废渣处理技术。研究表明，多种微生物对多种单个金属或组合金属均表现出良好的生物去除作用，有诸多因素可能影响金属离子在被测微生物细胞上的吸附效率，其吸附机理可能是由于静电吸引、形成表面络合物以及金属离子与官能团(主要是羟基，乙酰氨基或氨基)之间的化学作用。一般地，当大量重金属进入细胞后，将导致细胞体内一系列生理生化过程失调，破坏细胞的氧化还原平衡，对细胞产生氧化损伤和生理毒性。但是，在高浓度金属存在下，某些微生物仍能存活或生长，表现出对金属的抗性，有些微生物还通过生物转化作用或生理代谢活动使金属由高毒状态变为低毒状态。
Cr(VI)具有比Cr(III)更高的化学毒性，Cr(VI)常作为重金属的典型代表。迄今为止，已经有许多关于使用不同生物质作为吸附剂从水溶液中去除Cr(VI)的报道。铬生物吸附的机制通常基于Cr(VI)的还原。通过测定吸附前后溶液和生物质中的总Cr和Cr(VI) 的减少量，即可得出Cr(III)的产生量。如果溶液和生物质中只测出总Cr，而没有Cr(VI)，则说明总Cr仅为Cr(III)，生物质中Cr(VI)完全还原为Cr(III)。相反，如果生物质上同时存在Cr(III)和Cr(VI)，则说明Cr(VI)吸附和Cr(VI)还原都有助于从水溶液中除去Cr(VI)。
CN 104593296 B：造纸废水污灌苇田中典型细菌——纺锤形赖氨酸芽孢杆菌的筛选及其用途中给出了一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis WTXJ1-4，CGMCC No. 10053，Genbank No.KP150574，ZL 201410853541.9)，该菌株是从造纸废水污灌苇田中筛选出的典型生长菌，能优势降解污灌苇田造纸废水中的CODCr和AOX，展现出良好的有机氯污染物去除能力。华中农业大学何敏艳等从铬(Cr)污染的金属电镀废水中分离出的一株梭状芽孢杆菌菌株Lysinibacillus fusiformis ZC1完整基因组信息表明，该菌株具有将毒性六价铬 Cr(VI)还原为毒性较低的三价铬Cr(III)的能力。故具有相似基因组信息的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌WTXJ1-4理论上可以经筛选培养用于处理六价铬污染或者六价铬与有机氯协同污染，但实际该菌株如何应用于去除六价铬及其生物吸附、耐受性和抗性尚未探明。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，该菌株为处理富营养废水中六价铬污染或者六价铬与有机氯协同污染找到了一种新思路和新方法，其活菌体对富营养废水中六价铬和总铬的去除率分别高达 91.6％～94.8％和42.2％～43.8％。
技术方案：一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，所述纺锤形赖氨酸芽孢杆菌的保藏名称为Lysinibacillus fusiformis WTXJ1-4，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为 CGMCC No.10053，保藏日期为2014年11月25日，所述富营养废水为含有六价铬的LB液体培养基，所述LB液体培养基组成为蛋白胨10g/L，酵母浸膏5g/L，氯化钠10g/L，pH7.0。
优选的，所述应用为：取0.5～3.0g/L WTXJ1-4活菌体，加入含有六价铬的富营养废水中，在pH2.0～pH7.0、吸附温度26～38℃、转速0～200r/min条件下培养0～24h。
优选的，所述WTXJ1-4活菌体的用量为0.5～1.0g/L。
优选的，所述含有六价铬的富营养废水为含有重铬酸钾0～500mg/L的LB液体培养基。
进一步的，所述含有六价铬的富营养废水为含有重铬酸钾40～60mg/L的LB液体培养基。
优选的，所述pH为2.0。
优选的，所述吸附温度为32～34℃。
优选的，所述转速为140～160r/min。
优选的，所述培养的时间为20～24h。
有益效果：单因素试验证明，Lysinibacillus fusiformis WTXJ1-4活菌体对富营养废水中六价铬具有极强的吸附和还原作用。优化条件下，纺锤形赖氨酸芽孢杆菌Lysinibacillus fusiformis WTXJ1-4活菌体对富营养废水中六价铬和总铬的去除率分别达91.6％～94.8％和 42.2％～43.8％，说明该菌株具有极强的处理六价铬污染或者六价铬与有机氯协同污染的潜力。所述纺锤形赖氨酸芽孢杆菌对六价铬污染还具有很强的吸附还原性、耐受性和抗性，在重铬酸钾浓度0～100mg/L时，主要表现为生物吸附-还原性；在重铬酸钾浓度为100～300mg/L时，主要表现为耐受性；在重铬酸钾浓度为300～500mg/L时，主要表现为抗性。
附图说明
图1WTXJ1-4活菌体在不同菌体用量和不同吸附时间下的六价铬去除率变化；
图2WTXJ1-4活菌体在不同重铬酸钾浓度和不同吸附时间下的六价铬去除率变化；
图3WTXJ1-4活菌体在不同吸附pH和不同吸附时间下的六价铬去除率变化；
图4WTXJ1-4活菌体在不同吸附温度和不同吸附时间下的六价铬去除率变化；
图5WTXJ1-4活菌体在不同吸附转速和不同吸附时间下的六价铬去除率变化；
图6WTXJ1-4活菌体在最优吸附条件下的六价铬和总铬吸附动力学；
图7WTXJ1-4活菌体在最优吸附条件下对不同重铬酸钾浓度的吸附率和抑菌率变化。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一、菌株的保藏
纺锤形赖氨酸芽孢杆菌于2014年11月25日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCCNo.10053。有关该菌株的分离、鉴定方法详见发明专利ZL 201410853541.9。
二、菌株对富营养废水中六价铬的生物吸附、耐受性和抗性
实施例1纺锤形赖氨酸芽孢杆菌对Cr(VI)的生物吸附-还原试验
1、菌体制备
取1000mL处于对数期纺锤形赖氨酸芽孢杆菌LB培养液，于4℃、13000r/min下离心10min，加无菌水重复离心3遍，并恒重湿细胞，作为活菌体，于4℃保藏备用。
2、WTXJ1-4活菌体的生物吸附-还原试验单因素试验
分别取0.5～3.0g/L WTXJ1-4活菌体，加入100mL含重铬酸钾浓度为0～500mg/L的无菌水溶液，在pH2.0～pH7.0、吸附温度26～38℃、转速0～200r/min条件下培养0～24h，探索WTXJ1-4活菌体在富营养废水中脱除六价铬污染物的的单因素适宜条件。预设的各单因素的中心值分别如下：活菌体用量2.0g/L、重铬酸钾浓度100mg/L、吸附pH5.0、吸附温度32℃和吸附转速160r/min。分别用二苯碳酰二肼分光光度法测定溶液中残余的Cr(VI)和总Cr浓度，计算出WTXJ1-4菌株对Cr(VI)和总Cr的生物去除率。
(1)在其他单因素中心值不变的情况下，改变活菌体用量分别为0.5g/L、1.0g/L、1.5g/L、 2.0g/L、2.5g/L和3.0g/L，结果如图1所示；
(2)在其他单因素中心值不变的情况下，改变重铬酸钾浓度分别为0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L、400mg/L和500mg/L，结果如图2所示；
(3)在其他单因素中心值不变的情况下，改变吸附pH分别为pH2.0、pH3.0、pH4.0、pH5.0、pH6.0和pH7.0，结果如图3所示；
(4)在其他单因素中心值不变的情况下，改变吸附温度分别为26℃、28℃、30℃、32℃、34℃、36℃和38℃mg/L，结果如图4所示；
(5)在其他单因素中心值不变的情况下，改变吸附转速分别为0r/min、120r/min、140 r/min、160r/min、180r/min和200r/min，结果如图5所示。
3、WTXJ1-4活菌体的生物吸附-还原试验正交试验
选取单因素实验中对Cr(VI)生物去除率影响最为显著的吸附pH、吸附时间和重铬酸钾浓度这三个因素，选取这三个因素的合适范围水平，设计正交试验，通过控制各个试验的因素不同，完成正交试验，结果如表1所示。
表1 WTXJ1-4活菌体生物吸附-还原正交试验表及结果
Figure BDA0002618592820000041
Figure BDA0002618592820000051
由表1可知，影响WTXJ1-4活菌体对六价铬主要因素的主次关系分别为吸附pH>重铬酸钾浓度>吸附时间，确定的最佳吸附条件是pH2.0、重铬酸钾浓度50mg/L和吸附时间24h，由于表1中不存在该组实验，所以在pH2.0、重铬酸钾浓度50mg/L、培养时间为24h、34℃和160r/min条件下，补做验证试验。验证试验条件下的六价铬去除率达到了97.0％，与表1中的最高去除率对应的6号试验组合十分接近。
4、WTXJ1-4活菌体在最优条件下对六价铬富营养废水的生物吸附-还原动力学
分别在活菌的最优吸附条件pH2.0、重铬酸钾浓度50mg/L、34℃、160r/min、吸附时间 24h下，分别于不同时间取样测定反应体中的总铬和六价铬浓度，计算相应的去除率，获得相应的吸附动力学方程，结果如图6所示。
在优化条件下，WTXJ1-4活菌体对富营养废水中六价铬和总铬的去除率曲线均呈先快速上升后渐趋平衡趋势，分别于14h和16h达到平衡。达到平衡时WTXJ1-4活菌体在富营养废水中六价铬和总铬去除率分别为91.6％～94.8％和42.2％～43.8％，生物吸附动力学方程分别为y＝-0.2525x2+9.5155x+10.752(R2＝0.9626)和y＝-0.1009x2+4.2573x-0.6433(R2＝ 0.9898)，符合二级动力学模型。从吸附4h开始，六价铬和总铬的去除率在同一时间下相差 40.3％～52.5％，说明六价铬的去除既有WTXJ1-4菌体对其部分生物吸附作用，也有WTXJ1-4 菌体将其还原成三价铬的还原作用。
实施例2纺锤形赖氨酸芽孢杆菌对Cr(VI)的耐受性及抗性特征
分别向100mL的LB培养基中加入浓度分别为0mg/L、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L、400mg/L和500mg/L的重铬酸钾，向其中依次加入10mL处于对数期纺锤形赖氨酸芽孢杆菌培养液，每个浓度设3个平行，定时随机取样，测定溶液中菌体生物量、残留的Cr(VI)和总Cr，分别建立纺锤形赖氨酸芽孢杆菌的菌体生物量、Cr(VI)去除率和总Cr去除率的时间关系曲线，如图7所示。
由图7可知，随着重铬酸钾浓度的升高，微生物的抑菌率先快速上升后趋于平缓，说明重铬酸钾对微生物的生长有明显的抑制作用，由于微生物的数量相较于初始的接种量有一定的生长，因此该菌株对于重铬酸钾又有良好的吸附性、耐受性和抗性。当重铬酸钾浓度在100 mg/L以内，总铬吸附率和六价铬吸附率均变化不大，WTXJ1-4菌株表现出良好的吸附性。当重铬酸钾浓度在100-300mg/L时，总铬吸附率和六价铬吸附率均呈平缓下降趋势，WTXJ1-4 菌株表现出良好的耐受性。当重铬酸钾浓度在300-500mg/L时，总铬吸附率和六价铬吸附率均快速下降，WTXJ1-4菌株表现出较强的抗性。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述纺锤形赖氨酸芽孢杆菌的保藏名称为Lysinibacillus fusiformis WTXJ1-4，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCC No.10053，保藏日期为2014年11月25日，所述富营养废水为含有六价铬的LB液体培养基，所述LB液体培养基组成为蛋白胨10 g/L，酵母浸膏5 g/L，氯化钠10 g/L，pH7.0。
2.根据权利要求1所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述应用为：取0.5~3.0 g/L WTXJ1-4活菌体，加入含有六价铬的富营养废水中，在pH2.0~ pH7.0、吸附温度26~38 ℃、转速0~200 r/min条件下培养0~24 h。
3.根据权利要求2所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述WTXJ1-4活菌体的用量为0.5~1.0 g/L。
4.根据权利要求2所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述含有六价铬的富营养废水为含有重铬酸钾0~500 mg/L的LB液体培养基。
5.根据权利要求4所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述含有六价铬的寡营养废水为含有重铬酸钾40~60 mg/L的LB液体培养基。
6.根据权利要求2所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述pH为2.0。
7.根据权利要求2所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述吸附温度为32~34 ℃。
8.根据权利要求2所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述转速为140~160 r/min。
9.根据权利要求2所述的一种纺锤形赖氨酸芽孢杆菌去除富营养废水中六价铬的应用，其特征在于，所述培养的时间为20~24 h。
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