辛寶平1 楊敏1 莊源益2 張書軍1
（1中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100085;2南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，天津300071）

　　含染料廢水的色度脫除一直是印染行業(yè)和染料工業(yè)所面臨的重大問題之一。我國作為世界上染料生產(chǎn)和使用的主要國家，該類廢水的污染尤為嚴(yán)重。近20年來，先后有多種物理、化學(xué)和生物的方法被用于含染料廢水的脫色處理。其中生物強化處理技術(shù)，即通過篩選或構(gòu)建具有高效降解或吸附性能的特定微生物菌株用于含染料廢水的處理和脫色，因顯示出經(jīng)濟、高效、適于大規(guī)模廢水處理等特點，更是受到人們的極大關(guān)注。但這些研究大多為純培養(yǎng)單菌株對單一染料的脫色作用。而實際的含染料廢水中往往含有多種染料，來自生產(chǎn)過程的有色廢水中還含有各種染料中間體。另一方面，單菌株也難以完成對廢水中所有染料及其中間體的脫色作用。因此考察多菌株的聯(lián)合作用對混合染料的處理和脫色具有重要的理論和實際意義。本文考察了在單菌株純培養(yǎng)條件下，溴氨酸降解菌BX26或高效廣譜吸附菌GX2對由活性艷藍(lán)KNR和其中間體溴氨酸組成的混合染料的脫色行為；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察了BX26和GX2的聯(lián)合作用對單溴氨酸、單KNR以及溴氨酸和KNR的混合染料的脫色性能，同時考察了作用過程中兩菌株的數(shù)量消長和種群變化。

材料和方法

　　1 菌株：溴氨酸降解菌BX26（黃桿菌屬）和高效廣譜吸附菌GX2（青霉菌屬）。
　　2 培養(yǎng)基：可溶性淀粉，10g；NaCl，0.5g；KNO₃，1g；K2HPO4·3H₂O，0.5g；MgSO₄·7H₂O，0.5g；FeCl₃，10mg；H₂O，1000mL；pH7.5±0.1。在考察單一染料的脫色時，培養(yǎng)基中加入單種溴氨酸或KNR染料，濃度為120mg/L；在考察混合染料的脫色時，培養(yǎng)基中同時加入溴氨酸和KNR，濃度均為120mg/L。
　　3 培養(yǎng)方法：BX26種子液為培養(yǎng)36h的BX26培養(yǎng)液；GX2種子液為用50mL無菌水沖洗GX2斜面而制成的孢子懸濁液。兩種子液均按5%的接種量接種于含有40mL染料培養(yǎng)液的150mL錐形瓶中，即向每瓶中加入2mL種子液。在考察單菌株的脫色作用時，接入單BX26或單GX2菌；在考察菌株的聯(lián)合作用時，同時接入BX26和GX2，接入比例分別為2mL BX26和0.1mL GX2、 2mL BX26和2mL GX2、0.1mL BX26和2mL GX2。將接入菌體的染料培養(yǎng)液搖床培養(yǎng)（120rpm，30℃）。
　　4 染料濃度的測定：每24h取樣1mL，10000rpm下離心15min后測定上清液吸光度。單一溴氨酸和KNR吸光度的測定分別在其最大可見光區(qū)吸收波長485和600nm處進(jìn)行。混合染料的測定則是分別在485nm和600nm處測定上清液吸光度，并按下式計算混合染料中溴氨酸和KNR的吸光度：AKNR , 600nm = A混合染料, 600nm；A溴氨酸,485nm = A混合染料,485nm - 0.269×AKNR, 600nm。再借助工作曲線計算各染料濃度。
　　5 菌體生長的測定：BX26的生長測定采用涂布平板法，培養(yǎng)基用LB培養(yǎng)基。GX2的生長測定方法如下：脫色實驗結(jié)束后，3000rpm離心15min收集菌體并用去離子水洗滌6次，置于50℃烘箱中烘至恒重，用電子天平測菌體干重。

結(jié)果與討論

　　1 在溴氨酸降解菌BX26純培養(yǎng)條件下，混合染料中溴氨酸和KNR的脫色行為：在單一染料和混合染料中，溴氨酸脫色行為大致相同：染料都從24h啟動脫色，72h接近完全脫色，這說明KNR的存在對BX26對溴氨酸的降解脫色沒有任何影響，BX26可以有效地去除混合染料中的溴氨酸。KNR的脫色行為在單一染料和混合染料中也大致相同：48h內(nèi)染料濃度沒有變化，48h后出現(xiàn)微弱下降，這是由于BX26對KNR的微弱吸附所致。對BX26離心后，確發(fā)現(xiàn)BX26菌體表現(xiàn)出KNR的藍(lán)色。
　　2 在高效廣譜吸附菌GX2純培養(yǎng)下，混合染料中溴氨酸和KNR的脫色行為：在單一染料和混合染料下，溴氨酸均表現(xiàn)出較大程度的脫色：96h單一染料中的溴氨酸脫色率為76%，混合染料中的溴氨酸脫色率為66%，前者明顯高于后者。這是因為在混合染料中，GX2對溴氨酸和KNR的吸附存在競爭；而且由于KNR較之溴氨酸具有更大的疏水結(jié)構(gòu)，在吸附競爭中占有優(yōu)勢，使得混合染料中溴氨酸的吸附脫色較之單一染料時表現(xiàn)出一定程度的減弱。
　　在單一染料和混合染料中，96h的KNR脫色率均超過95%，表現(xiàn)了GX2對KNR良好的吸附脫色能力。雖然在混合染料中存在著KNR與溴氨酸的吸附競爭，但由于KNR在競爭中占有明顯優(yōu)勢，因此溴氨酸的存在對GX2對KNR的吸附影響不大。故混合染料中KNR的吸附脫色率較之單一染料時也只有微弱下降。另外還需指出的是，雖然GX2對混合染料中溴氨酸和KNR的吸附率表現(xiàn)出一定的差異，但混合染料中高達(dá)95%的KNR脫色率和66%的溴氨酸脫色率表現(xiàn)了GX2對混合染料卓越的吸附脫色能力和良好的應(yīng)用前景。
　　3 單菌株純培養(yǎng)和多菌株混合培養(yǎng)對單一染料的脫色作用比較：混合培養(yǎng)中（接種量為2mL BX26+2mL GX2）溴氨酸的脫色行為與單BX26純培養(yǎng)大致相同：24h啟動脫色，48h脫色率超過85%，72h接近100%。這說明混合培養(yǎng)中溴氨酸的脫色機理在于BX26對它的生物降解。而混合培養(yǎng)中溴氨酸48h高達(dá)95%的脫色率顯示混合培養(yǎng)較之單BX26培養(yǎng)可能更有利于溴氨酸的降解脫色。相比之下，GX2純培養(yǎng)對溴氨酸的脫色速率和脫色率都要小的多，96h脫色率僅為76%，這顯示降解菌BX26具有比吸附菌GX2更好的溴氨酸脫色能力。
　　對于KNR染料，單BX26純培養(yǎng)表現(xiàn)出最差的脫色性能，96h脫色率僅為18%，這是由于BX26對KNR只有微弱的吸附之故。而混合培養(yǎng)對KNR也表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)偷拿撋芰Γ?6h的脫色率僅為37%；GX2純培養(yǎng)表現(xiàn)出最佳的KNR去除脫色能力，72h脫色率達(dá)96%。這是因為在混合培養(yǎng)中，BX26和GX2之間存在著對營養(yǎng)、空間等的競爭，而且由于真菌的生長較細(xì)菌慢，GX2在營養(yǎng)空間競爭中處于劣勢，導(dǎo)致混合培養(yǎng)中GX2的生長量較之純培養(yǎng)中要小的多，大約只有純培養(yǎng)時的1/6~1/8，而BX26對KNR又只有微弱的吸附能力，因此混合培養(yǎng)對KNR的脫色作用由于GX2的生長被嚴(yán)重抑制而大大減弱。
　　雖然混合培養(yǎng)中GX2的生長受到明顯抑制，但BX26的生長卻受到較大促進(jìn)。在單一染料溴氨酸培養(yǎng)液中，混合培養(yǎng)的BX26生長量是單BX26培養(yǎng)的2.5倍；在單一染料KNR培養(yǎng)液中，前者是后者的1.5倍。混合培養(yǎng)對BX26生長顯著的促進(jìn)作用顯示了BX26與GX2之間不但存在著對營養(yǎng)、空間等的競爭作用，而且還通過某些機制產(chǎn)生進(jìn)一步的聯(lián)系和相互作用，有可能是GX2的代謝產(chǎn)物促使了BX26的更大生長。而且混合培養(yǎng)中溴氨酸的更快脫色（48h脫色率達(dá)96%），可能也與其中BX26的生長受到促進(jìn)有關(guān)。混合培養(yǎng)中GX2與BX26的相互作用機制是一個十分復(fù)雜也很有意思的問題，值得進(jìn)一步的研究探討。
　　4 單菌株的純培養(yǎng)和多菌株的混合培養(yǎng)對混合染料的脫色作用比較：混合培養(yǎng)中溴氨酸在48h就已接近完全脫色，單BX26培養(yǎng)中溴氨酸在48h也達(dá)到很高的脫色率，72h接近100%。這說明混合培養(yǎng)和BX26純培養(yǎng)對混合染料中溴氨酸都具有良好的脫色作用，而且混合培養(yǎng)中溴氨酸的脫色也是由于菌株BX26的降解作用。但在KNR的脫色中，由于BX26只具有微弱的吸附KNR的能力；而在混合培養(yǎng)中，雖然GX2的生長受到嚴(yán)重抑制，但仍有一定的生長量，仍表現(xiàn)出對KNR一定的吸附，因此混合培養(yǎng)中KNR的脫色較之單BX26培養(yǎng)表現(xiàn)出相對較高的水平。
　　混合培養(yǎng)中溴氨酸48h已幾乎完全脫色，而單GX2培養(yǎng)中溴氨酸在96h的脫色率僅為66%。這說明混合培養(yǎng)對混合染料中溴氨酸的脫色效果較之單GX2培養(yǎng)要好的多；但由于混合培養(yǎng)中GX2的生長受到很大抑制，因此KNR的脫色和去除較之單GX2培養(yǎng)卻要差的多。
　　5 不同接種比例對混合培養(yǎng)對混合染料的脫色作用比較：從以上的實驗結(jié)果可以看出，如何提高混合培養(yǎng)中吸附菌GX2的生長量是保證多菌株混合體系對KNR有效脫色的關(guān)鍵，因此作者考察了不同接種比例（2mL GX2+2mL BX26，2mL GX2+0.1mL BX26，0.1mL GX2+2mL BX26）對混合染料脫色作用的影響。在3個不同的接種比例下，混合培養(yǎng)對溴氨酸均表現(xiàn)出良好的脫色能力，72h的脫色率都幾乎達(dá)100%。這是由于混合培養(yǎng)中溴氨酸的脫色是通過BX26的降解作用實現(xiàn)，而BX26對溴氨酸的降解脫色與其菌體生長量關(guān)系不大。在3個不同的接種比例中，只有2mL GX2+0.1mL BX26表現(xiàn)出對KNR良好的脫色能力，72h的脫色率達(dá)90%。這是由于GX2很高的接種比例導(dǎo)致其在混合培養(yǎng)中具有較好的生長所致。因此在2mL GX2 + 0.1mL BX26接種比例下，多菌株混合體系對混合染料表現(xiàn)出最佳的脫色作用，使溴氨酸和KNR都具有很高的脫色率。但是我們也應(yīng)該看到，在實驗室的不連續(xù)培養(yǎng)中，可以通過增加GX2的接種比例來提高其生長量以改進(jìn)對KNR的脫色效果，但在實際的連續(xù)培養(yǎng)體系中，如何保持GX2相對較高的生長量卻是一個非常重要而很難解決的問題。可以嘗試通過調(diào)整培養(yǎng)條件和營養(yǎng)條件來完成。另外，用GX2和BX26的分段處理也許是另一個同時脫除溴氨酸和KNR色度的可行方法，即先在GX2作用下去除全部的KNR色度和部分溴氨酸色度，GX2的處理液再通過BX26的降解脫色去除剩余的溴氨酸色度。

結(jié)論

　　KNR的存在不影響B(tài)X26對溴氨酸的降解脫色，BX26可有效去除混合染料中的溴氨酸色度；GX2可同時吸附KNR和溴氨酸，但對前者的吸附率要大于后者。混合菌株體系對溴氨酸具有良好的脫色能力；但由于混合培養(yǎng)對GX2生長表現(xiàn)出強烈的抑制作用，導(dǎo)致KNR的脫色效果很差，通過調(diào)整GX2和BX26的接種比例，可以提高GX2的生長量，從而改善對KNR的脫色作用，表現(xiàn)出多菌株混合體系在混合染料廢水處理和脫色中的優(yōu)勢。