偶氮染料脱色菌群的固定化及其脱色性能研究*

张 悦，刘 娜，黄文澜，郭庆贤，朱少东，汪 波，张海洋

(宿州学院环境与测绘工程学院，宿州学院沱河流域面源污染控制与生态修复技术研究中心，安徽 宿州 234000)

近年来，合成染料被广泛地应用到了各种行业中，尤其在纺织印染业中。含有一个或者多个偶氮基团的偶氮染料，更是因为其色彩丰富、易染色、稳定性强等特点，在印染行业被广泛使用[1]。在染料生产和应用的过程中，有部分染料未经处理即排入到环境中，会严重危害生物健康，破坏生态平衡[2-3]。因此如何高效处理印染废水达到纺织业的可持续发展成为亟待解决的问题。

细菌因为繁殖快速、适应环境能力强等优点，被广泛应用于染料降解过程[4-5]。然而，在实际使用中，游离菌种密度低，反应速度慢，微生物损失大，产物分离困难，反应过程难以控制。因此，采用固定化技术先将细菌或菌群进行固定，再用于处理实际废水，是一个值得探索的研究方向[6-8]。李浩然与冯雅丽[9]以深海锰结核为载体，固定化微生物处理染料废水，获得了较好的处理效果。周林成等[10]利用固定化微生物法对印染废水进行处理，经过水解酸化和好氧处理后，出水可达到国家一级排放标准。

本研究以偶氮染料活性黑5作为目标降解物，利用微生物固定化技术对偶氮染料脱色菌群进行固定化，然后利用固定化脱色菌群对偶氮染料活性黑5进行脱色降解，探讨其脱色性能，研究结果为固定化脱色菌群在实际染料废水中的推广应用提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 固定化试剂与交联剂

聚乙烯醇(PVA)；海藻酸钠(SA)；沸石；氯化钙(CaCl2)；硼酸。交联剂：CaCl2饱和硼酸溶液。

1.1.2 染料

活性黑5是一种分子式为C26H21N5Na4O19S6的偶氮染料，其熔点为300 ℃，相对分子量为991.82，特征峰波长是597 nm。

1.1.3 培养基组成

培养基：磷酸二氢钾2.66 g/L，无水硫酸钠0.5 g/L，氯化铵0.2 g/L，蛋白胨1.5 g/L，牛肉膏1.5 g/L。

1.1.4 实验主要设备与仪器

本试验所用的主要设备及仪器为：紫外可见分光光度计、离心机、高压蒸气灭菌锅、生化培养箱、超净工作台、冰箱等。

1.2 实验方法

1.2.1 不同组分含量对固定化小球物理性能的影响

本实验通过改变不同SA(0.5%～3%)、PVA(2%～10%)、沸石(1%～4%)和CaCl2(1%～4%)浓度，探讨了不同情况下，固定化小球的成球困难程度、粘连现象、弹性等。具体步骤如下：将SA、PVA先后分别加入20 mL灭菌水中，待搅拌均匀以后放入96 ℃左右的水浴锅中，充分溶解制成包埋液20 mL，冷却至37 ℃。取2 mL沸石溶液与包埋液混合均匀，接着均匀缓慢地滴入交联剂中。交联固定一定时间以后，使之形成直径较为均匀的小球，观察固定化小球的成球难易程度、粘连状况、弹性。

1.2.2 偶氮染料脱色菌液及固定化小球的制备

实验用菌种是从宿州市埇桥区生活污水处理厂筛选出的，对活性黑5具有一定脱色能力的混合菌群。将冷冻保存的2 mL混合菌群浓缩液接种于100 mL的基础培养基中，在37 ℃条件下静置活化培养。培养48 h后，将菌液先在8000 r、5 min、 4 ℃离心条件下，进行离心倒掉上清液，留下底部沉淀的湿菌体。利用PBS(磷酸盐)缓冲溶液洗涤菌体2次，最后，将菌液溶于 2 mL无菌水，得到固定化偶氮染料脱色菌液。利用上述得到各组分最佳浓度，制备脱色菌群固定化小球，用生理盐水冲洗2～3次后在4 ℃的环境中保存备用。

1.2.3 固定化小球脱色性能实验

将上述制备的固定化小球放置在100 mL的染料培养基中，使染料浓度分别为10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L，在37 ℃条件下静置培养，在培养0 h、24 h、48 h、72 h时分别取出2 mL，离心获得上清液，利用紫外可见分光光度计测定 597 nm处的吸光度，并按下式计算脱色率。

脱色率=(A0-At)/A0×100%

(1)

式中：A0——0 h时597 nm处染料溶液的吸光度值

At——t h时597 nm处染料溶液的吸光度值

2 实验结论与讨论

2.1 不同组分含量对固定化小球物理性能的影响

2.1.1 不同SA浓度

不同SA浓度对固定化小球的物理性能影响见图1。可以看出，当SA浓度在1%和1.5%时，其在接触交联液时可以快速形成成型的小球，小球大小均匀且不易相互粘连，在交联24 h后都沉在杯底。当SA浓度为1%和1.5%时，小球的弹性更好，透明度适中。SA浓度过低如0.5%时，小球虽也成球形但弹性一般。SA浓度较高时(大于2%)时，液体粘稠度增加，流动性变差，已经开始出现拖尾现象，小球粘连情况较为严重而且不易形成小球。SA会提高小球的机械强度，在混合的同时会增大孔径和韧性的作用，因此SA的浓度会与固定化小球成球后的粘连状况、成球时的难易程度有一定关系[11]。故选取质量分数为1%的SA作为今后实验SA的浓度。

图1 不同SA浓度对固定化小球物理性能的影响

2.1.2 不同PVA浓度

不同PVA浓度对固定化小球的物理性能影响见图2，可以看出，PVA的浓度在2%、4%、6%时较为合适，在PVA分子中含有的大量亲水性羟基(-OH)，使固定化液滴在交联液中成型快速且成球均匀。当 PVA含量大于8%时，颗粒内的组织密度会降低，颗粒的传质能力也随之下降。虽然有粘连，但是在挤压后小球仍然可以复原，因此每组小球的弹性情况都很好。考虑到实际成本，本次实验选用6%的PVA作为今后的实验浓度。

图2 不同PVA浓度对固定化小球物理性能的影响

2.1.3 不同沸石浓度

不同沸石浓度对固定化小球质量的影响如图3所示，随着沸石浓度越来越高，固定化液滴在交联液时成球均匀，但小球透明度也随着沸石浓度而减小。在沸石浓度为1%、2%的小球弹性最好，因此选取浓度为2%的沸石作为后续实验的沸石浓度。

图3 不同沸石浓度对固定化小球物理性能的影响

2.1.4 不同CaCl2浓度

在SA-PVA固定化时，添加CaCl2不仅可以促进固定化小球的形成，而且能够提高传质性能和机械强度[12]。不同浓度CaCl2对固定化小球物理性能影响见图4，CaCl2浓度为4%时，在小球表面产生了一层较厚的乳白色凝胶材料层，从而影响了小球的透明度。当CaCl2浓度为1%、2%、3%的时候，胶质层较少，有少量小球会拖尾但不易相互粘连，且按压后小球仍能正常恢复原状。根据实验对比结果，选择3%作为最佳CaCl2浓度。

图4 不同CaCl2浓度对固定化小球物理性能的影响

由各组分含量影响实验结果可以看出，从成球的难易程度、粘连情况、弹性等方面评价，当SA、PVA、沸石、CaCl2分别为1%、6%、2%、3%时，所得到固定化小球的物理性能最佳。

2.2 脱色性能实验结果分析

根据方法1.2.3测定脱色菌群固定化小球的脱色性能，结果见图5。可以看出，当染料浓度分别为10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L时，脱色菌群固定化小球对活性黑5的脱色率随反应时间的增长均逐渐增加，反应72 h后的脱色率分别为69.58%、72.19%、74.04%、71.73%，说明固定化菌群具有较好的脱色效果。杨宁等[13]利用固定化脱色菌对活性黑5进行脱色降解，结果表明固定化菌体获得较好的脱色效果，且对模拟染料废水处理具有一定的生物强化作用。

图5 固定化小球对不同浓度活性黑5的脱色率

3 结 论

本文以偶氮染料活性黑5为研究对象，以PVA-SA-沸石作为固定化载体，以CaCl2饱和硼酸溶液为交联剂，研制出具有一定活性的脱色菌群固定化小球。研究了6%PVA、1%SA、2%沸石，3%CaCl2条件下，固定化小球的成球难易、粘连情况、弹性均为最佳。利用最佳条件下的固定化小球脱色活性黑5，随着染料浓度从10 mg/L增加到50 mg/L，反应72 h的脱色率均稳定达到70%左右。本文的研究结果可以为利用固定化菌群技术处理实际染料废水提供理论依据。