甲基红染料生物脱色条件优化探讨

张鹏程 吴 珊 肖群芳 万淑倩 王布匀 彭其安

(武汉纺织大学环境工程学院，湖北 武汉 430073)

1 前言

染料及着色剂广泛用于食品、印刷和印染等行业。目前，世界上染料年产量超过了7×105吨，商用品种达到了10，000余种，其中甲基红染料应用最为广泛，约占60%[1]。印染废水存在色度深，毒性强，难降解等特点，其处理难度较大。微生物技术处理染料废水具有效率高和无二次污染等特点[2]。

我国开展微生物技术处理染料废水的相关研究起步较晚，在微生物絮凝机理和降解途径上取得了一定的研究进展，但目前极少成功用于工业化废水处理[3]。调控机理研究不够深入是其主要原因，微生物对染料废水的降解功能除了与微生物本身的特性有关外，环境条件对降解起到了重要的作用，如：pH，培养液的组分，反应温度和染料浓度等[4]。基于此，本文主要探索了在不同环境条件下，微生物对甲基红染料脱色效果影响。

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 菌株：少动鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas paucimobilis)，由本实验室前期试验筛选并鉴定，见文献[3]。

2.1.2 主要试剂及仪器

甲基红染料(MR)，全自动灭菌器(HVE-50)，洁净工作台(SW-CJ-2FD)，全自动生化培养箱(SPA-370)，紫外可见分光光度计(UV-5100)等。

2.1.3 培养基及染料废水来源

矿物质盐培养基(MSM)和有机液体培养基配方，分别见文献[1，3]。染料废水由本实验室配制，即：取一定量的MR溶于适量无水乙醇中，搅拌5min左右再加入去离子水定容，充分搅拌10～15min。

2.2 实验方法

2.2.1 MR脱色方法及脱色率的计算见文献[5]

2.2.2 不同培养基对染料的脱色效果的影响

探讨三种培养基对甲基红染料的脱色效果，即：有机液体培养基、MSM培养基和葡萄糖(1.25g/L)+酵母浸粉(3g/L)+MSM(简称G+Y+MSM)。初始条件为：菌液接入量为1%，MR浓度为50ppm，pH7.0，温度37℃，摇床转速100r.min-1，脱色时间为12小时，设置三个重复。

2.2.3 微生物对不同浓度MR染料的脱色效果

在MSM中加入50，75，100，125，150，175，200，225，250，300，350，400，450和500ppm的染料，其他反应条件不变，计算脱色率。

2.2.4 不同pH对染料脱色效果的影响

考察不同pH对MR染料脱色效果影响，即pH为3，4，5，6，6.5，7，8，9和10时，其他反应条件不变，计算脱色率。

2.2.5 不同反应时间对MR染料脱色效果的影响

确定最优的培养基，染料浓度和pH后，设置不同反应时间即3，6，12，24，36和48h，其他反应条件不变，计算脱色率。

2.2.6 不同处理温度对MR染料脱色效果的影响

最后考察了不同反应温度对MR染料脱色效果影响，即25，31，34，35，36，37，38，39，40和45℃时，其他反应条件不变，计算脱色率。

3 结果与讨论

3.1 不同培养基对染料脱色效果的影响

不同的培养基对MR染料脱色效率具有较明显的差异，见表1。有机培养基的脱色效果为2～9.5%，脱色率在12h时达到最佳(9.5%)。而采用MSM配方后，脱色率提高到19～49%，且在12和16h时达到了49%。同样，与有机培养基相比，添加G+Y+MSM培养基后，甲基红脱色率有较大提高，12小时达到了40%。由此表明：尽管有机培养基可能会提高微生物的生物量，但MSM培养基对MR染料脱色效果最佳。

表1 不同培养基对MR染料脱色效率比较

3.2 不同浓度对染料脱色效果的影响

不同浓度的染料对微生物脱色效果具有明显的差异。本文设置MR浓度范围为50～500ppm。当MR浓度为175ppm时脱色率最高，达到了82%(见图1)，而其他浓度下，MR染料脱色率均较低。作者推测，当MR浓度较低时，微生物诱导出的相关染料降解酶活力较低，因而表现出染料脱色率较低。而MR浓度较高时，对微生物生长具有较大的毒害，故此条件下脱色效率亦较低。

图1 不同MR浓度下的脱色率

3.3 不同pH对染料脱色效果的影响

结果表明，反应体系的pH对染料脱色效果具有显著影响。图2显示，环境pH为6～8时，微生物对染料脱色效率较高，当pH为6.5时，脱色率最高，达到了80%。结果暗示了在过酸或过碱性环境中，微生物的代谢及分泌的染料降解酶活性受到了明显抑制，进而影响到对MR染料的降解效率。

图2 不同pH对MR脱色率的影响

3.4 不同处理时间对染料脱色的影响

图3表明，0～24h内脱色率随培养时间的延长而增加，在24h时脱色率达到63.4%。此后，随着培养时间的延长，脱色率无明显增加，甚至表现出缓慢下降趋势。而该趋势线与微生物生长曲线基本一致，推测是因为在微生物对数生长后期，由于营养基质消耗及环境条件的变化等因素，影响了微生物对该染料的脱色效果。

图3 不同培养时间下的脱色率

3.5 不同培养温度对染料脱色效果的影响

图4为脱色率随培养温度的变化曲线图，此图表明：在25～36℃脱色率随温度的升高而增大，且在36℃时达到最大(92%)，当温度继续升高时，脱色率却呈现下降的趋势。而前期研究表明微生物的最适生长温度为36℃，表明MR的脱色作用与微生物的生长状况密切相关，当温度适宜微生物生长时，脱色率也会明显上升。

图4 培养温度与MR脱色率的相互关系

4 小结

本课题组筛选出的sphingomonas paucimobilis适合于降解MR等染料废水处理[5]，本实验进一步优化了该菌对MR脱色条件。研究表明：当染料废水中培养基为MSM，MR浓度为175ppm，pH6.5，温度36℃，脱色24h后，该染料脱色率可稳定在92%以上。本实验中所用的MR染料废水为人工配制，与工业印染废水中的成分可能会有微量差异，如重金属，恒量有机污染物等。为适应工业化染料废水处理工艺，我们需要做进一步的优化研究。

[1]Lamia Ayed，Abdelkarim Mahdhi，Abdelkarim Cheref，.et al.Decolorization and degradation of azo dye Methyl Red by an isolated Sphingomonas paucimobilis：Biotoxicity and metabolites characterization[J].Desalination，2011(274)：272-277.

[2]魏炜，李英燕，王天蛟，等.微生物絮凝剂絮凝特性研究[J]，沈阳建筑大学学报，2011，27(6)：1168-1172.

[3]张冬，向艳丽，彭其安，等.微生物絮凝剂产生菌的筛选、鉴定及絮凝试验[J].湖北农业科学，2011，50(1)：66-68.

[4]Maulin P Shah，Kavita A Patel，Sunu S Nair，.et al，Optimization of Environmental Parameters on Microbial Degradation of Reactive Black Dye[J].Bioremediation & Biodegradation，2013，4(3)：183-188.

[5]刘亚秋，张慧，彭其安，等.微生物絮凝剂对染料废水的脱色试验[J]，湖北农业科学，2013，52(5)：1036-1038.