碳纤维负载白腐真菌处理染料废水的研究毕业论文(编辑修改稿)

碳纤维负载白腐真菌处理染料废水的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

进行了大量研究 [18]。 1980年，白腐 真菌首次应用在造纸废水和印染废水的处理中，此后，近二十多年来的研究表明将白腐真菌应用在染料废水处理中具有广阔的发展前景 [19]。 第 1 章 绪 论 7 白腐真菌的微生物学特征 白腐菌菌丝体一般为多核，少有隔膜，通常担子菌的两性结合是以锁状联合方式形成新的双核细胞，而白腐菌虽属担子菌纲却无锁状联合。 多核的分生抱子常为异核，存在同宗配合和异宗配合两类交配系统，多数孔菌、伞菌都属于此类型。 目前， 已 研 究 的 白 腐 真 菌 有 : 黄 抱 原 毛 平 革 菌 (Phanerochaete chrysosporuim)、彩绒革盖菌 (Coliolus versicolor)、变色栓菌 (Trametes tvesricoolr)、射脉菌 (Phlebia radiata)、凤尾菇 (pleurotus pulmonarius)、朱红密孔菌 (Pyoporus cinnabarinus)等 [19]其中研究得最多、也是最重要的是黄抱原毛平革菌及其所产生的木素过氧化物酶和锰过氧化物酶，该菌广泛分布于北美各地，在我国尚未发现，包括其在内的一些典型白腐菌及其来源见表 11。 表 11 一些白腐真菌及其生长的宿主木材 微生物 来源 Colioulsvesrcolor 落叶树木 Phanerohcaeet chrysosporium 来源不清楚 Phelbia radiata 落叶树木，针叶树木 Coroiuslpurniosum 落叶树木 PoPylorusvartius 山毛样、赤杨 Phellimusnxoius 橡胶树 Dichomiutssq ualeus 桦木、杨木、云杉等 Panus tigrinus 落叶树木 白腐真菌的培养 (1)培养温度 :除黄抱原毛平革菌培养温度为 37℃外，其它白腐真菌的培养一般在 30℃。 (2)培养 pH 值 :所有的白腐真菌适宜的培养 pH 值为 .45～ 之间。 (3)营养物质 :除了葡萄糖等常规碳源外，白腐真菌还可以利用木质素、染东北电力大学学士学位论文 8 料以及 TNT 等物质做为其独特的碳源。 实际应用中，利用廉价的农业废物如玉米棒、锯屑等可大量地培养白腐真菌。 (4)分子氧含量 :白腐真菌的脱色及降解活性依赖于高含氧环境。 (5)抑制性物质 :抑制白腐真 菌脱色和降解的化学物质主要有硫脉、叠氮化钠、氰化物等。 (6)搅拌或者振动 :一般认为白腐真菌在悬浮状态下培养时，若剧烈地振动将严重地抑制木质素过氧化酶等的产生。 但适当的搅拌和振动有利与物质之间的传递，从而促进其脱色和降解效果。 (7)培养时间 :白腐真菌只有在次生代谢时 (培养 3～ 4d 以后 )才能产生较多的木质素过氧化酶和锰过氧化酶等酶类，其中锰过氧化酶出现得比木质素过氧化酶要晚 5d 以后 )。 白腐真菌对各种环境污染物的降解原理，是生物学机制及一般的化学过程两者的有机结合。 经过十 几年系统的探索，科学家们已从整体上对白腐真菌的降解机制作了阐述。 它们的主要规律及相关概念如下 : (1)降解启动条件 白腐真菌的降解活动只发生在次生代谢阶段，与降解过程有关的酶，只有当一些主要营养物如氮、碳、硫限制时才形成。 产生酶的这种营养限制称为木质素降解条件 (Ligniolytic condition)。 (2)降解的主要酶系统 白腐真菌在对营养限制作应答反应时形成一套酶系统 : 产生 H2O2的氧化酶 :细胞内葡萄糖氧化酶和细胞外乙二醛氧化。 它们在分子氧参与下氧化相应底物而形成 H2O2— 激活过氧化物酶，启动酶 的催化循环。 需H20:的过氧化物酶 :木质素过氧化物酶 (LIP)— 催化非酚类芳香族底物，锰过氧化物酶 (Mnp)— 催化酚类、胺类及染料等依赖 Mn 的氧化，均在细胞内合成，分泌到细胞外，以 H2O2为最初氧化底物。 此外，还有漆酶、还原酶、甲基化酶、蛋白酶及其他酶。 上述酶共同组成白腐真菌降解系统主体。 第 1 章 绪 论 9 (3)降解是以自由基为基础的链反应过程 过氧化物酶是反应启动者，先形成高度活性的自由基中间体，继而以链反应方式产生许多不同自由基，促使底物氧化，这种自由基反应是高度非特异性和无立体选择性的，致使菌与降解对象并非是酶与底物 的一一对应关系，而是与一类乃至于多类底物的关系。 (4)降解活动是细胞外进行的 细胞学定位表明 :降解发生在细胞外。 这种细胞外降解系统为巨大的，不可水解的、异质的、结构复杂乃至有毒的污染物提供了一个更易被处置的调节环境。 所以从总体上看白腐真菌的降解机制是 :依赖于一个主要由细胞产生 (分泌 )的酶系统组成的细胞外降解体系，需氧并靠自身形成的 H2O2激活，由酶触发启动一系列自由基链反应，实现对底物无特异性的氧化降解。 生物法降解染料废水的优点 从以上对白腐真菌降解机制的描述，不难看出作为污染物降解的白腐 真菌技术，有着其它生物补救系统，特别是细菌系统所不具备的优点。 (1)不需经过特定污染物的预条件化 细菌必须预先置于一定有效浓度的污染物才能诱导合成所需的降解酶。 这导致细菌一方面不能降解低浓度的有机污染物，另一方面只能将污染物降至有限水平。 白腐真菌的降解酶的诱导与降解底物的有无及多少无关，它是靠营养限制 (主要是哟来启动降解过程的。 这样白腐真菌就能够降解环境中某些低浓度污染物，而且能够将其降到几乎测不出的水平。 (2)动力学优势 细菌对化学物的降解多依赖酶促转化，因此，降解遵循的是米氏动力学，所以用细菌进行生 物补救时必须考虑各种降解酶对污染物的 Km 值 (米氏常数 )。 而细菌对所降解的异生物质从本质上是排斥的，低亲和的 (高 Km 值 )，这决定了其降解过程的不彻底性或不充分性。 相反，白腐真菌是通过自由基过程实现化学转化的，化学物降解遵循的一般是准一级动力学。 催化启动初始氧化反应的东北电力大学学士学位论文 10 酶对底物无真正意义上的 Km 值，这就有利于氧化产物的形成，意味着白腐真菌能将污染物降至接近于零的水平。 (3)对其他微生物的拮抗 白腐真菌对营养物的要求不高，利用象木屑、木片、剩余谷物、农业废弃物等这样廉价的营养源就可有效地培养。 而其他微生物是不可利 用这些生长基质的，这样白腐真菌较易在自然的微生物菌落中确立其自身。 白腐真菌产生象 OH 这样的氧自由基，氧化其他微生物的蛋白质、 DNA，使它们死亡。 真菌还能利用质膜上的氧化还原系统，调节所处环境达到低 pH 值，所以一旦在微生物区系中导入白腐真菌后，那些与其有不同的最佳 pH 值的微生物就不能生长，白腐真菌因此保持着一种竞争上的优势。 (4)细胞外降解特征 白腐真菌降解系统的关键组分存在于细胞外，这使系统可以产生非常强的有效氧化性物种 (如 VA +和 OH)，而不构成对细胞的毒害。 另外，有毒污染物也不必先进入细胞再代谢。 这样真菌既可降解不溶性化合物，也可降解有毒污染物。 如氰化物是呼吸氧化酶的强抑制剂，一般代谢酶存在于细胞内，细菌必须首先吸入氰化物，这又严重抑制细菌生长。 实验数据表明 :仅 4PPm 浓度的氰化物就可以抑制市政污水处理系统内微生物生长，但白腐真菌的细胞外系统使其能忍受并矿化高浓度的氰化物直到 260ppm 才表现出明显的抑制。 (5)降解底物的非专一性 白腐真菌的非专一性降解机制，使其不仅能降解各种结构不同的化学物，甚至连杂酚油、芳氯物这样的污染物混合物也能一直降解至 COZ。 而同样降解这类混合物需要多种细菌合作，如美 国科学家 [19]发现在哈得孙河的淤泥中，厌氧细菌有效地将多氯联苯脱卤为一氯联苯，然后需氧细菌再将其降为 COZ。 因为多数污染物在环境中实际上是以多种污染物混合共存的方式存在的，白腐真菌的这种非专一性降解特点，无疑具有更大的实用性。 (6)适用于固、液两种体系 白腐真菌能在固体、液体培养基中生长，这样固液两种系统中均可采用白腐真菌技术。 由于大部分微生物系统都只能被用于水溶液中可溶性底物的处理，第 1 章 绪 论 11 而许多污染物又是不溶的 (如 DDT)，也不易被吸收到颗粒性的物质上，这就限制了微生物对底物的攻击。 白腐真 菌可以广泛地在土壤 污染与水污染体系中发挥降解作用。 总而言之，白腐真菌集多种优越性于一身，其降解功能表现出高效、低耗、广谱、适用性强等特点，它们有别于一般微生物，在环境治理方面不失为有希望有前途的技术与工具。 但是，因为白腐真菌的一些特殊生理生化特性尚未被认识清楚，使其直接大规模应用于实际废水处理、土地处理还有一定距离。 碳纤维负载白腐真菌 众所周知 , 碳材料与微生物具有良好的相容性 ,粒状活性炭作为生物膜载体已用于污水脱氮处理 , 但它存在易堵塞、易流失及造成二次污染等弊端。 迄今为止碳纤维大都作为吸附材料 用于废水处 理 , 作为生物膜载体的研究鲜有报道。 由于碳纤维 ( CF) 包括活性碳纤维 ( ACF) 与活性炭粒同是碳材料 , 虽然碳纤维和活性炭粒在使用形态、孔结构、表面元素组成等方面存在差异 , 但人们可根据生物材料的使用要求在制备过程中方便地对碳纤维表面化学性质、力学性能和使用形态进行调整。 因此 , 碳纤维极有可能成为具有良好生物相容性、可快速固着细胞、使用性能优异的新型生物膜载体。 本文主要研究了碳纤维吸附法白腐真菌对染料废水的处理情况。 作为一种固定化方法，吸附是种简单易行、条件温和的方法。 并且，固定化载体和微生物有良好 的相容性，其具有 无毒、不溶于水、制备简便等特点 [20]，因此可作为新型的固定化载体对细胞进行简单、快速、有效的吸附固定。 吸附法固定化微生物在环境污染控制方面的应用十分广泛。 课题的研究意义和内容 课题 的研究意义 综观国内外对于白腐真菌的研究成果不难看出，虽然这类研究肇始于上个世纪 80 年代早期，但初期的研究多偏重于降解机理方面，近年来，将这项技术应用于工程实践的研究渐多，然而距离真正的工程实际应用，无疑还有相当长东北电力大学学士学位论文 12 的路要走。 譬如在菌种的选择、保存，适宜工艺条件的确定等诸多方面，相关的研究多处 于摸索阶段，迄今尚未见有此项技术大规模应用于工程实践的报道。 为了能够进行工业化的应用，首要任务是研究出新的处理方法，以解决处理效率低等影响工业生产的问题。 碳纤维负载微生物技术是利用物理或化学手段将微生物细胞限定在一定的空间区域，并使其保持活性反复利用方法。 与游离细胞相比，固定化细胞具有细胞密度大，微生物流失少，产物易分离等优点，可实现工作菌的重复利用。 因此，寻找利用白腐真菌处理染料废水的最佳技术和工艺条件及确定经处理后的废水对环境的实际危害具有一定的环境意义和社会意义。 本实验的研究内容 （ 1） 用特定的培养基从腐烂的木头中筛选白腐真菌，并对所筛选的白腐真菌菌种进行鉴定。 （ 2）用强氧化性介质对碳纤维表面含氧官能团进行改性。 （ 3）分别用改性前和改性后的碳纤维负载白腐真菌处理含次甲基蓝单一染料的模拟废水。 并研究比较了各种方法负载白腐真菌对单种染料废水色度的去除效果。 （ 4）在改性的基础上利用聚乙烯醇 海藻酸钠包埋法固定化白腐真菌，研究其对混合染料废水色度去除效果的改善程度。 （ 5）研究经白腐真菌处理后混合染料废水对植物的药害性。 第 2 章 实验材料与方法 13 第 2 章 实验材料及方法 材料、仪器及试剂 菌种 本 实验所使用的白腐真菌 采用从柳树腐朽枝干中自行分离的菌株。 试验所用仪器 表 21 实验所用仪器 仪器名称 型号 ∕规格 生产商 单人双面净化工作台 SWCJ1F 苏州净化设备有限公司 精密 pH 计 pHS3C 上海精密科学仪器有限公司 紫外 ∕可见分光光度计 722 上海光谱仪器有限公司 比色管 50mL 天津市天科玻璃仪器制造有限公司 低速台式离心机 802B 上海安亭科学仪器厂 转式恒温调速摇瓶柜 HYGⅡ a 上海欣蕊自动化设备有限公司 不锈钢手提式压力蒸汽灭菌锅 YXQSG46280S 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 电子天平 FA1004A 上海精密科学仪器有限公司天平仪器厂 东北电力大学学士学位论文 14 试验试剂 表 22 实验所用试剂 名称 纯度 生产商 硫酸锰 ≥%（分析纯） 天津人民化工厂。