磁粉投加对好氧反硝化细菌效能的影响

杨基先，孙静文，马 放，王 强

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，150090哈尔滨;2.黑龙江省环境保护科学研究院，150056哈尔滨)

近40年来，国内外将磁技术大量应用到实际水处理［1-2］中.在多种磁作用方式中，磁粉价廉易得、操作方便，同时具有独特的物理、化学性质，能够使水分子及水中溶解的污染物分子结构发生变化［3］，对多种物理和化学过程都会产生一定的影响［4-7］.同时，磁粉的微弱磁场会使微生物的活性及代谢发生一系列的变化［8-12］.任月明［13］等在SBR反应器中投加修饰过的纳米磁粉悬浮液并利用外加磁场快速分离处理后的磁性泥水混合液，发现磁粉活性污泥驯化成熟时间短，污泥性质和处理能力及抗冲击负荷能力明显提高.Yavuz［14］等用磁性聚苯乙烯颗粒作为微生物的载体，用磁场生物流化床来处理模拟污水，发现有磁场的流化床内的生物膜比对照的无磁场流化床的生物膜更薄，但结构更致密且活性更高，水处理效率可提升26%.

为了进一步提高好氧反硝化的效能，将磁粉投入培养基对好氧反硝化细菌进行作用，考察磁粉对硝氮去除效能和酶活性的影响，为好氧反硝化微生物的代谢规律研究提供基础数据，为好氧反硝化脱氮工艺的优化提供一定的理论依据.

1 试验

1.1 菌种

采用城市水资源与水环境重点实验室保藏的高效好氧反硝化细菌T13(Pseudomonas sp．)．

1.2 培养基

采用DM［15］培养基作为硝酸盐电子受体供试培养基，组成见表1.

表1 DM培养基组成g·L-1

1.3 磁粉

试验用磁粉为分析纯微磁性黑色粉末状，化学成分为Fe3O4，粒径小于10 μm.磁粉每次使用前在磁场中预磁化.

1.4 试验方法

准备7个规格相同的250 mL三角瓶，每瓶内加入90 mLDM培养基，121℃灭菌20 min后接入10 mLT13种子液.接种后立即投入已磁化的磁粉.磁粉投加量为0.5～3.0 g/L，0.5 g/L为一个质量浓度梯度.将7个三角瓶放入摇床内，在30℃、120 r/min条件下培养24 h.

2 结果与讨论

培养24 h后对T13的OD、硝氮去除效果、脱氢酶活性等各项指标进行测定.

2.1 磁粉投加量对T13生长量的影响

投入不同量磁粉后培养24 h，T13菌株的生长吸光度见图1.

图1 磁粉投加量对T13生长量的影响

由图1可见，磁粉对T13的生长量有促进作用.菌量随着投加量的提高而增加，当磁粉投加量达到一定值后T13生长量趋于稳定.投加量在0.5～2.0 g/L时，随着磁粉投加量逐渐提高，T13的生物量从0.976增加到1.043，与投加量呈正相关.投磁粉后T13生长量均有所提高.

2.2 磁粉投加量对T13脱氮能力的影响

T13是实验室保藏的高效脱氮菌种.在投加不同量磁粉培养24 h后T13硝氮去除率的变化如图2.

图2 磁粉投加量对T13硝氮去除率的影响

由图2可见，随着磁粉投加量的提高，硝氮去除率呈现先升后降的趋势.投加量由0.5 g/L提高至2.0 g/L时，磁粉对T13硝氮去除效能的促进作用逐渐增强;投加量在2.5 g/L及以下时，硝氮去除率平均在93%以上.从2.5 g/L开始，随着投加量继续增加，磁粉的促进作用逐渐减弱.投加量为2.0 g/L时，硝氮去除率最高为100%，硝氮24 h去除量较未加磁粉时提高了12.61 mg/L.

2.3 磁粉投加量对T13酶活性的影响

以脱氢酶活性检测［16］为代表考察不同磁粉投量对菌株T13内酶活性的影响，测量前将菌液浓度调节至相同.磁粉投加量对T13脱氢酶活性的影响见图3.

图3 磁粉投加量对脱氢酶活性的影响

由图3可见，投入不同量磁粉后，T13的脱氢酶活性存在显著差异.随着投加量的增加，T13的脱氢酶活性呈现先上升后下降的变化.当磁粉投加量在0.5～2.0 g/L时，T13的脱氢酶活性随投加量增加而逐渐提高.随着磁粉投加量的继续增加，磁粉对T13的脱氢酶活性的促进作用逐渐减弱.在2.5 g/L及以下时，磁粉均表现促进作用.投加量为3.0 g/L时，磁粉表现出一定抑制作用.在投加量为2.0 g/L时磁粉对脱氢酶活性的促进作用最大，脱氢酶活性为73.9 μg/(mL·h)，是未加磁粉的2.81倍.

以上实验结果表明，磁粉对T13硝氮去除速率提高有显著作用.微生物的新陈代谢是由酶催化进行的，酶的变化直接影响微生物的代谢.供试的DM培养基内底物质量浓度相同，且磁粉的磁场极微弱，不会诱发T13的基因突变，因此，酶量的变化不是T13去除效能出现差异的主要原因.磁粉产生微弱而无序的磁场，易影响微生物体内的电子传递和化学键的性质，从而影响酶蛋白活性中心的构象，酶的活性发生改变.结合以上试验结果和磁作用理论推断磁粉对T13的促进作用是由磁粉产生的微弱磁场影响了酶的活性而引起的.脱氢酶是呼吸链的主干酶系，释放出能量可以用于生物合成和维持细胞的生命活动，能反映生物体的活性状态，大多数脱氢酶都含有由非血红素铁和酸不稳定硫组成的铁硫簇性氧化还原中心，常见形式有FS、F2S2和F4S43种空间构象.磁作用可通过改变铁硫键的键长和键角来影响铁硫中心的构象，进而影响脱氢酶内铁硫蛋白的活性，使T13的脱氢酶活性提高，加快代谢速度，提高了对T13硝氮的去除效率.

3 结论

1)通过比较投加不同量磁粉T13的生长变化，投磁粉后T13的生长量均有所提高.

2)T13的硝氮去除率和脱氢酶活性均随磁粉投加量的增加均呈先升后降的趋势.

3)2.0 g/L为最适磁粉投加量，在此条件下硝氮去除率和脱氢酶活性均获得最大值.

4)磁粉通过影响好氧反硝化细菌T13的酶活性促进T13对硝氮的去除.一定量的磁粉有利于促进T13高效脱氮.将磁粉应用于污水处理中，对新型脱氮工艺的开发及污泥减量具有积极意义.

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