应用于废水处理的光合细菌优化培养和生长动力学研究

应用于废水处理的光合细菌优化培养和生长动力学研究摘要:本文对应用于废水处理的光合细菌的培养最适温度、光照、pH值、溶解氧等条件进行了较系统的研究,通过正交实验,得出光合细菌生长的最适条件为光照强度3000Lx、微好氧、30e、pH710。在此基础上,建立了光合细菌在模拟味精废水条件下,以乙酸钠为底物时的生长动力学模型,其参数为饱和常数Ks为0123g#L-1,最大比生长速率为0104h-1。试验结果表明,该模型能够较好地描述废水处理光合细菌的生长情况。关键词:光合细菌;正交实验;优化培养;动力学模型StudyonOptimumCultivationandGrowthKineticsofPhotosyntheticBacterialforWastewaterTreatment/XIONGWan-Abstract:Thispapergivesadetailstudyontheoptimumgrowthconditionsoftemperature,illumination,pHanddissolvedoxygenforPSB1Withtheorthogonaldesignedexperiment,theoptimumcultureconditionsforPSBgrowthareobtained:illuminationintensity3000Lx,faintaerobic,30e,pH7101Undertheoptimumcultivationandthesimulatedmonosodium-glutmatewastewaterconditions,ak-ineticmodelonPSBgrowthinthesubstrateofCH3COONawasputup1Theparametersinthemodelareasfollows:thesaturationcon-stantKs0123g#L-1andthemaximumspecificgrowthrateLmax0104h-1respectively1TheexperimentresultshowsthatthismodelcandescribethegrowthdataofPSBverywell1Keywords:photosyntheticbacteria(PSB);orthogonaldesignedexperiment;optimumcultivation;kineticsmodel光合细菌(PhotosyntheticBacteria,简称PSB)是自然界中广泛存在且比较古老的细菌类群,是一大类能进行光合作用的原核生物的总称[1]。近年来,随着人们对PSB形态、结构、生理生化以及生态等特性研究和认识的不断深入,发现光合细菌,特别是其中的红螺菌科能利用多种硫化物或有机物作为其光合作用的供氢体和碳源,在厌氧光照、好氧光照、甚至好氧黑暗环境中都能很好地增殖,且能耐受很高盐度和浓度的有机物,具有很强的分解、去除有机物的能力,显示其在高浓度、高盐度有机废水处理中的独特优势和广阔应用前景,正成为废水处理技术研究的一个新方向[2]。同时因其菌体富含蛋白质和胡萝卜素,可作为单细胞蛋白应用于养畜业、渔业以及各种食用色素。光合细菌的上述特点,使其吸引着人们对其进行发掘、研究和商品化生产。研究光合细菌的优化培养条件和生长动力学,对其规模化生产和资源化开发利用以及应用于废水处理的光合生物反应系统的设计具有重要意义。1材料与方法111菌种来源菌种为本课题组从海水、污泥、池塘水、厌氧生物反应器中分离获得并培养保存[3]的光合细菌,颜色深红,有微量红色沉淀,其OD660nm大于118,活菌数在1@1010个#mL-1以上,菌液pH值为816,经鉴定为荚膜红假单胞菌(Rhodopseudomonascapsulata)。112培养基优化培养实验采用RCVBN扩大培养基[4],其组成为:CH3COONa310g,(NH4)2SO4110g,MgSO4012g,NaCl110g,KH2PO4013g,K2HPO4015g,CaCl20105g,酵母膏011g,微量元素溶液1mL,蒸馏水1000mL。生长动力学实验中以CH3COONa为生长限制性22中国沼气ChianBiogas2004,22(1)底物,考虑到PSB处理味精废水时应适应的环境,使培养基中SO42-浓度控制2%~3%,pH值控制在415~6范围,其它组分的含量根据CH3COONa底物的浓度按比例调整。微量元素溶液为改良的Imhoff和Truper生长因子溶液,其组成为:EDTA-2Na2g,FeSO4#7H2O012g,MnCl2#4H2O011g,H3BO3011g,CoCl2#6H2O011g,Zn-Cl2011g,Na2MoO4#2H2O0102g,NiCl2#6H2O0102mg,CuCl2#2H2O0101g,蒸馏水1000mL。113培养方法在8个CSTR光合培养器中进行分批培养,培养器体积为50L。培养器光照根据强度不同的需要分别由三只25W,40W,60W,100W白炽灯泡组合提供,培养器的底部设有穿孔曝气管,根据DO含量间歇开启,培养器内设有温控器。114测定方法(1)菌体干重:离心后采用恒重法;(2)菌体浊度:采用VIS)7220型分光光度计测OD值(660nm);(3)pH值:采用瑞士Delta320型酸度计;(4)溶解氧:采用美国YSI)58溶解氧测定仪;(5)光照:由LGC4)2A光照计测定;(6)底物浓度(以CODCr计):采用重铬酸钾法[5]。2结果与讨论211培养条件的优化根据本课题组以前单因素试验的结果[6],综合对PSB生长影响较大的四个因素即光照、溶解氧、pH值、温度进行正交试验[7],每个因素选取三个水平,选用L9(34)正交表对各因素的试验条件进行优化,具体设计见表1。各次试验菌液的接种量均为5L,即10%,起始OD(660nm)值为01477。培养66h后测OD值,重复二次,实验结果见表2。由表可见,各因素对PSB生长的影响主次关系为:光照、溶解氧、温度、pH值。用直观法即可确定光合细菌的优化培养条件为:3,2,2,2,即强光照、微好氧、30e、pH710。表1正交试验因素表头设计因素水平12311光照(Lx)01500300021溶解氧(mg#L-1)1015~10~01531温度(e)25303541pH值975表2PSB生长情况的正交试验结果及分析试验号因素1234OD1OD2OD1+OD22111110147601478014772122201808018250181631333016190162401622421230190201924019135223111161111831117262312111341112211128731321159011605115978321321025210622104493321211402116321152K111915219873164931801K231213410323188131541K351793319023139131579R31878110450149001260212PSB生长动力学模型的建立21211PSB的分批培养结果根据上述优化培养的试验结果,采用最适培养条件,即光照强度为3000Lx、溶解氧为015mg#L-1左右、30e、pH710条件下研究光合细菌生长动力学。在四个(1#~4#)相同的光合细菌培养器中,接种量相同,均为10%,在初始底物浓度不同的情况下,研究光合细菌的生长速率和底物的消耗速率。另外,根据本研究大量实验结果,光合细菌的延滞期为6小时,66小时左右后进入衰亡期,所以本实验采用开始6小时后每隔12小时分别测各培养器中底物的浓度(以COD计)以及光合细菌菌体干重值,实验结果见表3。21212PSB生长动力学模型中参数的估计假设PSB的生长速率只受单一底物CH3COONa浓度的影响,同时不考虑生成产物对光合细菌的抑制作用,可用Monod方程[8]作为PSB指数生长期和平衡期的生长动力学模型,即PSB的比生长速率L与限制性底物COD的浓度间的关系可用下式表示:L=LmaxSKS+S(1)dXdt=LX(2)-dsdt=1Yx/sdxdt(3)式中:L为光合细菌的比增长速率(h-1);Lmax为最大比增长速率(h-1);S为限制性底物COD的浓度(g#L-1);Ks为光合细菌以乙酸钠为底物的饱和常数(g#L-1);dxdt为光合细菌的生长速率g#(L#h)-1;-dsdt为底物的消耗速率,g#(L#h)-1;Yx/s为光合细菌23中国沼气ChianBiogas2004,22(1)的得率系数(g#g-1)。根据表3中的实验结果,用龙格库塔法求解微分方程组,以实验值与模型估计值总偏差之和最小为目标函数,在C6程序下对培养器1#,2#,3#,4#的实验结果估计的参数值分别为Lmax=01038h-1,01038h-1,0104h-1,01044h-1;Ks=0122g#L-1,0120g#L-1,0123g#L-1,0124g#L-1;Yx/s=01082g#g-1,01080g#g-1,01076g#g-1,01070g#g-1;目标函数值分别为01000208,010013,0100090,0100025。表3不同时间测得各培养器中的底物浓度和菌体干重值时间t(h)1#2#3#4#COD/mg#L-1菌体干重/mg#L-1COD/mg#L-1菌体干重/mg#L-1COD/mg#L-1菌体干重/mg#L-1COD/mg#L-1菌体干重/mg#L-10520117143611730751186020118650811714201173065119600021018490312139431830294165950515304566101336814294011105810151042395111012101810273027155430421054296191094339102220661043881151066160301043380106515410166430510781453115406811787216610132032210213模拟值与试验值的比较以起始底物浓度COD=4022mg#L-1在上述条件下培养,在不同时间测得剩余底物浓度和菌体干重,并用上述模型对实验结果进行预测,结果见表4。对模拟值与试验值进行比较,相对误差小于5%,结果见图1。可见,模型能较好地描述强光照微氧条件下以乙酸钠为底物时光合细菌的生长规律。表4模拟值与试验值比较结果时间t(h)预测值实验值COD/mg#L-1菌体干重/mg#L-1COD/mg#L-1菌体干重/mg#L-10402210011904022119640151002101401521018397610841963982511303879175121283864131442364119730135360633105430601127415728927816661684180179109148819310781210206103结论(1)温度、光照、pH值和溶解氧等因素会影响PSB的生长,其中光照的强弱影响最大,溶解氧影响次之,pH值影响最小。试验得出PSB生长的适宜条件为强光照、微好氧、温度为30e、pH为710。(2)强光照、微好氧条件下PSB生长动力学模型可用Monod方程来模拟,实验测得模型中饱和常数Ks=0123g#L-1,最大比生长速率=0104h-1。模型能够较好地描述光合细菌的生长情况。参考文献[1]史家梁,翁稣颖,徐亚同1光合细菌在废水处理中的应用及菌体的综合利用[J]1微生物学通报,1981,4(8):186~188.[2]俞吉安,李宝,张承康1应用光合细菌处理高浓度有机废水的新技术[J]1环境科学,1987,8(3):47~52.[3]邱宏端,郭养浩,吴陵1光合细菌的分离与生长特性初探[J]1福州大学学报,1999,27(2)116~1