16卷第7期物理化學學報VoL 16 No. 72000年7月ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICAJuly, 2000喹啉的生物降解動力學劉佐才全向春(北京理工大學化工與材料學院,北京100081)韓利平王建龍(清華大學環(huán)境工程系,北京100084)關鍵詞:喹啉,生物降解,動力學,共基質,抑制,激活學科代碼:BO30401喹啉是一種典型的氮雜環(huán)化合物,在化工、醫(yī)藥及農藥生產中經常用作溶劑和原材料,喹啉又是一種毒性大、致變性和致癌性強的物質,對人類、水生生物及植物有著很大的危害.因此隨著工業(yè)廢水特別是焦化廢水的排放,使喹啉成為水中常見的污染物.喹啉的結構為許多人工合成化合物的基本結構,而人工合成化合物一般不易被自然界中固有的微生物識別,所以多數為難以生物降解的化合物,研究喹啉的生物降解能為研究其他人工合成化合物的生物降解提供有益的啟示人們對喹啉的降解途徑進行了有益旳探索μ-3,對喹啉降解的動力學也進行了研究-,已初步確定了喹啉生物降解的途徑,并已篩選岀一些能降解喹啉的伉勢菌種.本文是在培養(yǎng)岀株新的降解喹啉的伉勢菌種的基礎上,對其降解喹啉的動力學行為進行研究.以前的研究一般停留在用單一菌種600.00降解單一基質的階段,實際廢水一般成分復雜,我們對共基質的生物降解也進行了研究1實驗(1煃喹啉的降解用無機鹽培養(yǎng)液和一定量的純菌懸乳022040608010液菌種為 BurkholderiaPicktt.即皮氏伯克霍爾德圖1喹啉降解曲線圖氏菌)配成溶液,再加入喹啉,菌污泥濃度為0.9858gFig 1 Degradation curves ofL-,喹啉濃度分別為50、100、200、500和800mgL-1,取100mL上述I )quinoline 800 mg L中國煤化工置于恒溫搖床中進行培養(yǎng),溫度2)quinoline 500 mg L-CNMHG75rmin-,不同時間取樣在高速離心機12000rmin-1下離心10min,分析4 )quinoline 100 mg L-I測量上層清液中喹啉的含量,結果見圖1.片數據到切樓200到修福,聯(lián)人劉練才6632瑲喹啉與其他基質的降解.分別配制不同濃度的喹啉與苯酚,喹啉與吡啶,喹啉與亞硝酸鹽,喹啉與硝酸鹽,喹啉與氨離子共基質的溶液,再加λ上述純菌懸浮液.菌污泥濃度同上.分別取了3mL上述溶液放入瓦氏呼吸儀中,溫度為25±1℃,震蕩頻率85rmin-,溫度穩(wěn)定后,調節(jié)測壓管液面初始高度,不同時間記錄測壓管液面數值,得到喹啉與其他物質的代謝圖2-5(Oc為比累積耗氧量)三圖2喹啉與苯酚代謝圖圖3喹啉與吡啶代謝圖Fig 2 Metabolic curves of quinolineFig 3 Metabolic curves of quinoline2)200 mg L- quinolineL4)200 mg L- quinoline +50 mg L- phenol4)200 mg L- quinoline +50 mg L- pyridine5)100 mg L-phenol5)200 mg L- quinoline+100 mg L- pyridine圖4喹啉與硝酸根、亞硝酸根代謝圖圖5喹啉與銨離子代謝圖Fig 4 Metabolic curves of quinolineFig 5 Metabolic curves of quinolinepirate radical and nitriteand ammonium2)200 mg L quinoline中國煤化工oine+20 mg L-I Nh3)200 mg L quinoline +50 mg L- NO2CN MH Goline +40 mg L-INH1)200 mg L- quinoline +100 mg L- NO25)200 mg L- quinoline +80 mg L-NHi5)200 mg L quinoline +100 mg L"NO36)200 mg L- quinoline +160 mg L- NHActa Phys.-Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao )20003制不同濃度的喹啉、葡萄糖、純菌混合液,菌污泥濃度同前.分別取100mL溶液于具塞錐形瓶中,置于恒溫搖床中培養(yǎng),溫度28±1℃,震蕩頻率175rmin-1.不同時間取樣,離心分離后取上部清液進行測試,結果如圖4煃喹啉的濃度測量采用HP1050高效液相色譜儀.葡萄糖濃度的測定采用荷蘭BERK公司的全自動化生化測試儀圖6喹啉與葡萄糖降解曲線Fig 6 degradation curve of2結果與討論quinoline and grape sugar根據圖1,假設在實驗開始后的半小時內,菌量變1}qe3!εgu化不大,近為常數、喹啉的降解符合線性關系則喹啉的2)50 mg L quinoline +34 mg L- garpe sugar3)50 mg L- quinoline +60 mg L- garpe sugar初始降解速率可由下式求出:4 )50 mg L-quinoline +80 mg L garpe sugar6)50 mg L- quinoline +110 mg L- garpe sugarr為比基質去除速率,c為底物即喹啉濃度,x為7)50 mg L微生物濃度.由此得到的不同濃度下喹啉降解的比基質去除速率如圖7所示.濃度很低時,比基質去除速率隨喹啉濃度的升高,達到某一極大值后,開始下降,這就表明喹啉的降解符合抑制動力學 Haldane方程k采用直線化方法,以1/r對1/c作圖,得到一直線,從直線的斜率和截距求得動力學參數0.4395h-,飽和常數K=166.7mgL-,通過方差分圖7計算曲線與實際曲線析得到抑制常數K=650mgL-,因而得出皮氏伯克Fig 7 calculated and霍爾德氏菌降解喹啉的動力學方程為experimental curves0.43952)experimental curve1+166.7.cC該菌降解喹啉的擬合曲線與實際降解曲線如圖τ所示,可見二者符合得很好.從圖2可知喹啉單基質、喹啉苯酚共基質時,累積耗氧量曲線明顯高于內源呼吸線,說明基質巳被微生物氧化利用,而100mgL-苯酚單基質的耗氧量曲線高于共基質的曲線,說明苯酚的存在使微生物代謝喹啉的活性受到抑制,而且苯酚濃度越大,抑制作用越大.苯酚濃度為20mg·L',最大抑制率為69%,濃度為50mgL,最大抑制率中國煤化工圖3表明吡啶對B.P.sp.菌生物降解喹啉也HCNMH③度越大,抑制作用越強,濃度為30、50、100mgL-,最大扣制率分別為43%、68%、83%,說明抑制作用稍遜于苯酚.吡啶單基質的耗氧量趨于零,說明吡啶與喹啉雖有相似的氮雜環(huán)結構,但在實驗的8.5h內,這株菌仍不能將吡啶氧化分解Acta Phys. -Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao)2000665圖4說明50mgL的NO-2對該菌活性幾乎無影響.而100mgL濃度的NO-2,初始4.5h,菌體活性有所增強,之后菌體活性比喹啉單基時有所減弱.而該濃度的NOˉs對菌體活性影響極微,因此設計生物強化系統(tǒng)處理喹啉廢水時,可以允許亞硝酸根旳存在.硝酸根對該菌還有激活作用.因而可與脫氮工藝相結合,利用脫氮過程產生旳硝酸鹽來促進喹啉降解的速率.從圖5可知各種濃度的NH與喹啉共基質時耗氧量曲線幾乎與喹啉單基質時的耗氧量曲線重合,說明NH對該菌的活性影響極小,這也說明喹啉與脫氮綜合處理的可行性不難從圖6可看岀,皮氏純菌能夠同時將喹啉和葡萄糖氧化分解.喹啉與葡萄糖共基質時的降解曲線低于喹啉單基質時的降解曲線,說明葡萄糖的存在能加快喹啉降解的速率,隨著葡萄糖濃度增加,這種激活作用増強.這是因為葡萄糖旳降解為該菌提供了可利用的碳源和能量,加快了其繁殖速度,并保持很高的活性3結論皮氏伯克霍爾德氏菌降解喹啉的動力學行為符合 Haldane方程溁酚和吡啶對此起抑制作用洏NO3和葡萄糖,特別是葡萄糖對此起激活作用洏NO2和NH':對此基本無影響.這為實際處理含喹啉廢水提供了很好的依據,可以據此來設計廢水的綜合治理方案參考文獻1 Johanson S S, Licht D, Arvin E, et al. Appl. Microbiol Biotechnol, 1997, 47: 2922 Sutton S D, Plaller S L, Sham JR, et al. Applied and Environmental Microbiology, 1996, 62(8): 29103 Miethling R. Hecht V, Deckwer WD, et al. Biothechnology and Bioengineering, 1993, 42: 5894 Yu Shusheng Examine Handbook of Environmental Engineering Microbiology. China Environmental Scince Press, 1990, 166p俞疏器,環(huán)境工程微生物檢驗手冊,中國環(huán)境科學岀版社,199,1615 Blaschke M, Kretzer A, Schaefer C, et al. Arch Microbiol, 1991 155: 167 Quan Xiangchun Master Dissertation, Beijing: Beijing Institute of Technology, 1999, 27p全向春.碩士學位論文,北京:北京理工大學,1999,27pBiodegradation Kinetics of quinolineSchool of Chemical Engineering and Materials Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)Department of Envrionmental Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084Abstract Study on quinoline biodegradation kinetics by pure cultures of B. P. sp.. kinetics con-stants of quinoline degradation were obtained. The effects of other substrates, for example, phenol,pyridine, nitrite, nitrate, ammonia and glucose, on the quinoline biotransformation by B. P. sp. werenvestigated. The effects of phenol and pyridine are inhibitive. Those of nitrate and glucose are enhanced中國煤化工Keywordsquinoline. Biodegradation KineCNMHGbitionActivationReceived 1999-10-27, revised 2000-02-08, Correspondent: Liu Zuocai