海藻酸钠作为固定化细胞包埋剂的研究

海藻酸钠作为固定化细胞包埋剂的研究

作者：酒卫敬 汪苹 李奥搏 张正洁 来源：《科技创新导报》2011年第02期

摘 要:通过正交实验和单因素实验,研究了包菌量,海藻酸钠(SA)浓度,交联时间和小球直径四个因素对海藻酸钠包埋菌株的脱氮性能的影响,并优选出最佳包埋条件。在最佳包埋条件下包埋的脱氮菌株的脱氮性能优于其游离状态下的脱氮性能。 关键词:海藻酸钠 固定化 包埋 异养硝化 好氧反硝化

中图分类号:X703.5 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)01(b)-0012-02

Abstract:Orthogoal experiments and one-factor experiments were designed to optimize optimum conditions. Quantity of entrapmenting bacteria,concentration of sodium alginate,crosslinking

time,diameter of the immobilized beads were studied.Under optimum conditions,its nitrogen removal ability of immobilized bacteria was similar to the dissociation bacteria.

Key Words:sodium alginate;immobilization;entrapment;heterotrophic nitrification;aerobic denitrification

大量含氮废水排入水体会给环境带来一系列的危害:氨氮排入湖泊、海湾等容易引起水体富营养化,甚至会导致湖泊的干涸死亡。废水脱氮已成为国内外的研究热点。利用异养硝化好氧反硝化菌可以实现含氮废水的高效脱氮[1-5]。菌株的保存与运输显的尤为重要。固定化工艺可以使菌株便于保存和运输。本实验对该实验室已经筛选出的高效脱氮菌株进行固定化研究,对菌株广泛应用于实际废水处理工程奠定了一定基础。

细胞固定化技术,是利用物理或化学手段将游离的微生物(细胞)或酶,定位于限定的空间区域,并使其保持活性且能反复利用的一项技术[6]。根据微生物细胞与载体的作用力及作用形式、微生物细胞被固定的状态以及载体的性质将固定化细胞的制备方法分为以下三类:主要有吸附法、包埋法和交联法三大类。包埋法是近年来发展迅速的一种新兴细胞固定化技术,也是目前细胞固定化研究和应用最广泛的方法[7,8]。

1 实验材料及方法 1.1 实验材料

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一株具有异养硝化好氧反硝化脱氮性能的蜡状芽孢杆菌,编号为WXZ-8;海藻酸钠,氯化钙,氯化钡。

异养硝化培养基(/L)∶(NH4)2SO4∶0.47g,柠檬酸三钠(C6H5Na3O7·2H2O)∶5.1g;碳源用量依据正交实验设计COD/N比调节,KNO3∶0.1g,维氏盐溶液50ml;加水溶解,补充蒸馏水至1L,并同时调节初始pH值。 1.2 实验方法

1.2.1 固定化小球的制备过程

配制5%(质量比)的海藻酸钠溶液,加热使其充分溶解;同时配制含有4%CaCl2+1% BaCl2的交联剂。将海藻酸钠溶液和交联剂放入高压灭菌锅中在121℃温度下灭菌20分钟,然后放入已灭菌的无菌操作台中冷却至室温。

称取一定质量的离心(8000r/min,5min,4℃)后的菌株放入已灭菌的烧杯中,加适量无菌水混合均匀后再与海藻酸钠溶液混合均匀,用注射器(或移液器)吸取混合液,均匀滴至交联剂中。在4℃冰箱中交联一段时间后,用无菌水清洗小球,然后放入无菌水中或将其干燥后放入自封袋中在4℃冰箱内保存。 1.2.2 测定方法

(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法测定;ρ(NO2-N)采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定;ρ(NO3-N)采用紫外分光光度法测定;pH采用德国WTW便携式测定仪测定。

2 实验结果与讨论 2.1 正交实验

通过设计四因素三水平正交实验,优化海藻酸钠包埋WXZ-8菌株的包埋条件。各因素和各水平的选择是参考有关研究拟定的。试验因素有:加入包埋剂中的细菌量(简称包菌量)、包埋剂浓度、交联时间及小球直径,以固定化菌株的脱氮性能(即:氨氮和总氮去除率)为指标。各因素因子的水平取值见表1所示。

按1.1配制异养硝化培养基,调节pH至7.0,并分装在250ml的锥形瓶中,在121℃条件下高压灭菌20min,然后放至已灭菌的操作台中冷却至室温。称取湿重为10g(相当于干重约1g)的小球,放至培养基中。然后放在恒温振荡摇床内培养。

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培养条件为:温度为30℃,转速为90r/min(相当于DO浓度3.76～4.84mg/L), COD/N为25,氮源为硝酸钾和硫酸铵,初始NO3--N和NH4+-N浓度分别约为10mg/L和100mg/L,碳源为柠檬酸三钠。培养4天,每隔24h取样一次,取样后先离心分离,然后取上清液对NH4+-N、NO3--N和NO2--N浓度进行测定,TN浓度为NH4+-N、NO3--N和NO2--N浓度之和,计算NH4+-N和TN去除率,取其最大值。实验结果见表2。

表2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示水平,j表示因素,如ⅡA表示海藻酸钠浓度为5%的所有包埋条件,此条件在表中是实验2、实验5、实验8,ⅡA的值应为三个对应条件下的结果加权平均值。每个因素不同水平下的平均值相差最大的二个数的差值,即为极差Rj。极差的大小反映各因素对指标影响的大小。即极差越大,因素对指标影响越大。最优水平的确定是根据Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj的大小选定的,平均值越大表明该水平越有利于指标结果,各最优水平的综合即为理论最优条件。 以NH4+-N去除率为指标,分析表中数据:(1)以包菌量(因素A)为例,由表2中的加权平均值比较得出,ⅡA＜ⅢA＜ⅠA,所以因素A的最佳水平应取1水平,即包菌量为2%。其他同理。(2)因素影响分析:极差的大小反映各因素对指标影响的大小。在实验的三个因素中,因素A的极差最大,为10.2,其次是D,C,B最小,从而可排出因素影响的顺序为:A＞＞D＞C＞B,即包菌量＞小球直径＞交联时间＞SA浓度。(3)优选方案的得出:由以上分析可见各因素理论最佳水平为:因素A取1水平,因素B取3水平,因素C取3水平,因素D取2水平。因此实验的最优方案为:A1B3C3D2,即:包菌量为2%,SA浓度为7%,交联时间为12h,小球直径为3mm。

以TN去除率为指标分析,分析方法同上,得出以下结论:(1)因素影响分析:极差的大小反映各因素对指标影响的大小。在实验的四个因素中,因素A的极差最大,为8.7,其次是C,D,B最小,从而可排出因素影响的顺序为:A＞＞C＞D＞B,即包菌量＞交联时间＞小球直径＞SA浓度。(2)优选方案的得出:由以上分析可见各因素理论最佳水平为:因素A取3水平,因素B取1水平,因素C取3水平,因素D取1水平。因此实验的最优方案为:A3B1C3D1,即:包菌量为6%,SA浓度为4%,交联时间为12h,小球直径为2mm。

以NH4+-N去除率为指标分析所得的优选方案与以TN去除率为指标分析所得的优选方案不完全一致。包菌量(因素A)对菌株活性影响最大,海藻酸钠浓度对其影响最小。综合考虑,最终得到优选方案:A1B2C3D1,即包菌量为2%、SA浓度为5%、交联时间为12h,小球直径为2mm。正交实验中,第七组实验的包埋小球的活性最强,氨氮和总氮去除率分别为99.7%和99.8%。

2.2 单因素实验

由表2可以看出,当包菌量由2mg/L增长到6mg/L时,包埋小球的脱氮性能先减弱后增强。因此通过补充单因素实验,选择最佳包菌量。

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单因素实验是在海藻酸钠浓度为5%,交联时间为12h,小球粒径为2mm条件下通过改变包菌量,进行包埋实验。本实验选择的包菌量为1%、2%、4%、6%、8%。实验结果如图1所示。 由图1可以直观的看到,包菌量在1%～2%和6%～8%区间范围内,其TN和NH4+-N去除率差别并不大。在单因素实验中包埋菌株活性最强时,氨氮和总氮去除率分别为99.7%和99.8%,比正交实验第七组实验条件下制备的包埋小球的活性弱。因此选定WXZ-8号菌株最佳包埋条件是包菌量(A)为2%,海藻酸钠浓度(B)为5%,交联时间(C)为12h,小球粒径(D)为2mm。 经过实验测定,在WXZ-8包埋小球的最佳培养条件下,其NH4+-N去除率和TN去除率分别为,相比游离菌的NH4+-N去除率与TN去除率分别为96.3%和93.8%,WXZ-8号菌包埋小球的活性好于其游离菌。 3 结语

(1)WXZ-8号菌株最佳包埋条件是包菌量(A)为2%,海藻酸钠浓度(B)为5%,交联时间(C)为12h,小球粒径(D)为2mm。

(2)WXZ-8号菌包埋小球的活性优于其游离菌的活性。 参考文献

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