东北土著白腐真菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水的可行性探讨

第３１卷　第３期２０１８年３月环　境　科　学　研　究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＶｏｌ.３１ꎬＮｏ.３Ｍａｒ.ꎬ２０１８收稿日期:２０１７￣０７￣２６　　　修订日期:２０１７￣１０￣１６作者简介:李佳谣(１９９１￣)ꎬ女ꎬ黑龙江双鸭山人ꎬ[e-mail].∗责任作者ꎬ高大文(１９６７￣)ꎬ男ꎬ黑龙江佳木斯人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事水污染控制和环境生物技术研究ꎬ[e-mail]基金项目:哈尔滨市应用技术研究与开发项目(Ｎｏ.２０１６ＲＡＸＸＪ０１０)ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＡｐｐｌｉｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｊｅｃｔｏｆＨａｒｂｉｎｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.２０１６ＲＡＸＸＪ０１０)李佳谣ꎬ王伟华ꎬ高大文.东北土著白腐真菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水的可行性探讨[Ｊ].环境科学研究ꎬ２０１８ꎬ３１(３):５２１￣５２７.ＬＩＪｉａｙａｏꎬＷＡＮＧＷｅｉｈｕａꎬＧＡＯＤａｗｅｎ.Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｃｏｒｎｅｔｈａｎｏｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎｗｈｉｔｅｒｏｔｆｕｎｇｕｓ[Ｊ].ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２０１８ꎬ３１(３):５２１￣５２７.东北土著白腐真菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水的可行性探讨李佳谣１ꎬ王伟华１ꎬ３ꎬ高大文１ꎬ２∗１.东北林业大学林学院ꎬ黑龙江哈尔滨　１５００４０２.哈尔滨工业大学ꎬ城市水资源与水环境国家重点实验室ꎬ黑龙江哈尔滨　１５００９０３.哈尔滨市环境监测中心站ꎬ黑龙江哈尔滨　１５００７６摘要:青顶拟多孔菌是一种可以降解木质素的白腐真菌ꎬ也是具有较高的产漆酶能力的生产者.选择青顶拟多孔菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水ꎬ于液体培养青顶拟多孔菌中的锥形瓶中添加不同体积的废水ꎬ考察其对不同稀释比玉米秸秆纤维素乙醇废水的处理效果ꎬ并通过研究废水投加时间的调控ꎬ获得具有高木质素降解率且相对最短降解时间的工艺条件.结果表明:青顶拟多孔菌可从废水中去除５０％以上的ＣＯＤＣｒ和２３􀆰８％的木质素.对不同稀释比例(１％~２０％)玉米秸秆纤维素乙醇废水中木质素具有较好的去除效果ꎬ其中稀释６％废水的体系中降解木质素效果最好ꎬ在第１０天木质素降解率达到７３􀆰５％.不同废水投加时间对青顶拟多孔菌处理稀释２０％废水体系中木质素的降解效果影响较大ꎬ第５天投加废水可获得理想的木质素降解效果ꎬ在试验进行的第１９天降解率达到６８􀆰４％ꎻ在投加废水时间不同的情况下ꎬ经青顶拟多孔菌处理后的各体系中ＢＯＤ５∕ＣＯＤＣｒ均有所提升ꎬ并且都提升至０􀆰５８以上ꎬ其中第９天投加废水体系经处理后ＢＯＤ５∕ＣＯＤＣｒ最大ꎬ达到０􀆰６４.研究结果可为青顶拟多孔菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水的实际应用提供参考.关键词:玉米秸秆纤维素乙醇废水ꎻ青顶拟多孔菌ꎻ降解ꎻ木质素ꎻ可生化性中图分类号:Ｘ１７２　　　　　文章编号:１００１￣６９２９(２０１８)０３￣０５２１￣０７文献标志码:ＡＤＯＩ:１０􀆰１３１９８∕ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１￣６９２９􀆰２０１７􀆰０３􀆰８４ＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＣｏｒｎＥｔｈａｎｏｌＷａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＷｈｉｔｅＲｏｔＦｕｎｇｕｓＬＩＪｉａｙａｏ１ꎬＷＡＮＧＷｅｉｈｕａ１ꎬ３ꎬＧＡＯＤａｗｅｎ１ꎬ２∗１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙꎬＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨａｒｂｉｎ１５００４０ꎬＣｈｉｎａ２.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＵｒｂａｎＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｒｂｉｎ１５００９０ꎬＣｈｉｎａ３.ＨａｒｂｉｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒꎬＨａｒｂｉｎ１５００７６ꎬＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ:Ｐｏｌｙｐｏｒｅｌｌｕｓｐｉｃｉｐｅｓｉｓａｗｈｉｔｅ￣ｒｏｔｆｕｎｇｕｓｃａｎｄｅｇｒａｄｅｌｉｇｎｉｎꎬｗｈｉｃｈｉｓａｐｒｏｄｕｃｅｒｏｆｈｉｇｈｅｒｌａｃｃａｓｅｃａｐａｃｉｔｙ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｌｕｔｉｏｎｒａｔｉｏｃｏｒｎｅｔｈａｎｏｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒｉｎｔｏｔｈｅｃｏｎｉｃａｌｆｌａｓｋｏｆＰ.ｐｉｃｉｐｅｓｉｎｌｉｑｕｉｄｃｕｌｔｕｒｅ.Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｈｉｇｈｌｉｇｎｉｎｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｓｈｏｒｔｅｓｔｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｔｉｍｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｉｍｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｏｖｅｒ５０％ｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｄｅｍａｎｄ(ＣＯＤＣｒ)ａｎｄ２３􀆰８％ｏｆｌｉｇｎｉｎｗｅｒｅｒｅｍｏｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒ.Ｐ.ｐｉｃｉｐｅｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｍｏｖｅｔｈｅｌｉｇｎｉｎｏｆｔｈｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒｄｉｌｕｔｉｏｎｒａｔｅ(１％￣２０％)ꎬａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｏｆｌｉｇｎｉｎｗａｓ６％ꎬｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｌｉｇｎｉｎｒｅａｃｈｅｄ７３􀆰５％ｏｎｔｈｅ１０ｔｈｄａｙ.Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒ￣ａｄｄｅｄｔｉｍｅｈａｄａｇｒｅａｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｌｉｇｎｉｎｉｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｇｒｅａｔｅｆｆｅｃｔｏｆｌｉｇｎｉｎｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｏｎｔｈｅｆｉｆｔｈｄａｙꎬｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｌｉｇｎｉｎｉｓ６８􀆰４％ｏｎｔｈｅ１９ｔｈｄａｙꎻｔｈｅＢＯＤ５∕ＣＯＤＣｒｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｒｅａｔｅｄｗｉｔｈＰ.ｐｉｃｉｐｅｓꎬａｎｄｔｈｅＢＯＤ５∕ＣＯＤＣｒｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ０􀆰５８ａｎｄａｂｏｖｅａｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒ￣ａｄｄｅｄｔｉｍｅꎬＢＯＤ５∕ＣＯＤＣｒｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅ９ｔｈｄａｙ￣ａｄｄｅｄｗａｓｔｅｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｉｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔꎬｒｅａｃｈｅｄｔｏ０􀆰６４.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｍａｙｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ　　　环　境　科　学　研　究第３１卷ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｃｏｒｎｅｔｈａｎｏｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｒｎｅｔｈａｎｏｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒꎻＰｏｌｙｐｏｒｅｌｌｕｓｐｉｃｉｐｅｓꎻｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎꎻｌｉｇｎｉｎꎻｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｉｌｉｔｙ　　随着全球经济迅速发展ꎬ人们对化石能源的消耗不断增加ꎬ不可再生资源危机日益严峻ꎬ可再生资源的开发成为研究热点.于是近年来利用农作物秸秆作为可再生资源制备燃料乙醇备受关注[１￣２].以农作物、玉米秸秆等木质纤维素生物质为原料生产燃料乙醇ꎬ既是对秸秆资源燃料化的最大价值利用ꎬ又能有效缓解能源问题[３].玉米秸秆发酵产乙醇虽然给社会和经济带来良好的效益ꎬ但是生产过程中产生大量高浓度有机废水[４].废水中ＣＯＤＣｒ、悬浮固体和木质素含量与色度均较高ꎬ另外含有大量的氨、磷酸盐等无机盐类[５].虽然目前已通过厌氧好氧等工艺来降低和部分去除此类废水中大部分有机物ꎬ但是出水仍然存在色度高、木质素浓度高等问题[６￣７].木质素结构复杂ꎬ是目前公认的难降解污染物[８￣９].白腐真菌是自然界中重要的木质素降解菌ꎬ主要依靠分泌的胞外漆酶来催化氧化分解木质素[１０￣１１].漆酶是一种含铜的多酚氧化酶ꎬ能氧化酚类和芳香类化合物以及其他难降解物质[１２￣１３].目前漆酶已尝试用于造纸厂木质素处理、染料废水处理以及环境中ＰＡＨｓ的降解等[１４￣１７].而对于利用白腐真菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水还鲜见报道.青顶拟多孔菌是一种可以降解木质素的白腐真菌ꎬ也是具有较高的产漆酶能力的生产者.鉴于青顶拟多孔菌具有高效降解多环芳烃的特点[１８]ꎬ该研究选择该菌种处理玉米秸秆纤维素乙醇废水ꎬ系统考察其对不同稀释比玉米秸秆纤维素乙醇废水的处理效果ꎬ并通过研究废水投加时间的调控ꎬ获得具有高木质素降解率且相对最短降解时间的工艺条件ꎬ为白腐真菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水的实际应用提供参考.１　材料与方法１􀆰１　菌种及来源菌种选用东北土著白腐真菌———青顶拟多孔菌(Ｐｏｌｙｐｏｒｅｌｌｕｓｐｉｃｉｐｅｓ)ꎬ购于中国科学院微生物研究所.１􀆰２　菌种培养基及培养条件培养锥形瓶接种物所用液体培养基的主要成分为２０ｇ∕Ｌ葡萄糖ꎬ１ｇ∕Ｌ酒石酸铵ꎬ３ｇ∕Ｌ磷酸二氢钾ꎬ１􀆰５ｇ∕Ｌ硫酸镁.培养是在１５０ｍＬ的锥形瓶中完成ꎬ培养体系包括３片直径为１０ｍｍ的青顶拟多孔菌菌片ꎬ１００ｍＬ液体培养基.培养温度为２８℃ꎬ在转速为１６０ｒ∕ｍｉｎ的空气浴恒温摇床上培养.１􀆰３　试验用水该试验所用废水均来自某玉米秸秆发酵产乙醇厂ꎬ该厂排出的废水呈深褐色ꎬ有刺激性气味ꎬ其水质情况如下:ρ(ＣＯＤＣｒ)为２７６９４􀆰７ｍｇ∕Ｌꎬρ(ＢＯＤ５)为１３６２５􀆰８ｍｇ∕Ｌꎬρ(木质素)为２３７９４􀆰８ｍｇ∕ＬꎬｐＨ为４􀆰２.１􀆰４　试验方法１􀆰４􀆰１　对稀释２０％废水降解试验于１５０ｍＬ锥形瓶中加入１００ｍＬ稀释２０％的废水ꎬ经高压灭菌处理后ꎬ用无菌打孔器从平板上取３片直径为１０ｍｍ的菌片ꎬ接种于上述锥形瓶中ꎬ在温度为２８℃、摇床转速为１６０ｒ∕ｍｉｎ条件下降解ꎬ该处理设３个平行样.接种当天为第０天ꎬ自接种第０天起ꎬ每隔一天测定ρ(木质素)ꎬ每隔３ｄ测定ρ(ＣＯＤＣｒ)ꎬ取３个平行样的平均值和标准差作为最终结果.１􀆰４􀆰２　对不同稀释比的废水降解试验以１􀆰２节液体培养基培养的青顶拟多孔菌为基础ꎬ于液体培养青顶拟多孔菌中的锥形瓶中分别移出１、２、４、６、８、１０、１５、２０ｍＬ液体后ꎬ补加相对应体积的玉米秸秆纤维素乙醇废水ꎬ混合液总体积为１００ｍＬꎬ废水占混合液总体积的１％、２％、４％、６％、８％、１０％、１５％、２０％ꎬ将其置于温度为２８℃ꎬ转速为１６０ｒ∕ｍｉｎ的空气浴恒温摇床上降解ꎬ每个处理设３个平行样.投加废水当天为第０天ꎬ每隔一天测定ρ(木质素)ꎬ每隔３ｄ测定ρ(ＣＯＤＣｒ)ꎬ取３个平行样的平均值和标准差作为最终结果.１􀆰４􀆰３　废水投加时间的调控以１􀆰２节液体培养基培养的青顶拟多孔菌为基础ꎬ以接种当天为第０天ꎬ在培养第１、３、５、７、９、１１天的每瓶试样中移除２０ｍＬ液体培养基后ꎬ分别加入灭菌废水２０ｍＬꎬ对稀释２０％的玉米秸秆纤维素乙醇废水进行降解试验ꎬ每个处理设３个平行样.每隔一天取样测定漆酶活性和ρ(木质素).通过比较得出一个具有高木质素降解率且降解时间相对最短的工艺条件.１􀆰４􀆰４　主要仪器和试剂Ｈ１６５０型高速台式离心机(长沙湘仪离心机仪器有限公司)ꎻＴ６分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)ꎻＭｕｌｔｉ３４Ｏｉ型便携式ｐＨ分析仪(ＷＴＷ公司).２２５第３期李佳谣等:东北土著白腐真菌处理玉米秸秆纤维素乙醇废水的可行性探讨　　　美国进口Ｓｉｇｍａ２ꎬ２￣连氮￣二(３￣乙基苯并噻唑￣６￣磺酸)(下简称ＡＢＴＳꎬ纯度为９８％)ꎬＬｉｇｎｉｎａｌｋａｌｉ木质素ꎬ其余药品均为分析纯试剂.１􀆰５　测定方法１􀆰５􀆰１　ＣＯＤＣｒ和ＢＯＤ５测定ρ(ＣＯＤＣｒ)和ρ(ＢＯＤ５)均采用文献[１９]中的分析方法测定.１􀆰５􀆰２　漆酶活性测定漆酶活性采用Ｂｏｕｒｂｏｎｎａｉｓ和Ｐａｉｃｅ方