啤酒糟生物炭吸附固定化功能菌强化去除多环芳烃特性_许晓毅.pdf

第12期许晓毅，陈小宾，崔佳豪，等.啤酒糟生物炭吸附固定化功能菌强化去除多环芳烃特性J.环境科学与技术，2022，45（12）：9-18.Xu Xiaoyi，ChenXiaobin，Cui Jiahao，et al.Removal characteristics of PAHs in water by immobilized functional bacteria adsorbed onto brewer s grains biocharJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：9-18.Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-07-21；修回2022-10-08基金项目：国家自然科学基金项目（52070138）；企业科技项目（ws032020fw096）作者简介：许晓毅（1974-），女，教授，博士，研究方向为水污染控制技术及生物修复，（电子信箱）。啤酒糟生物炭吸附固定化功能菌强化去除多环芳烃特性许晓毅1，陈小宾1，崔佳豪1，白净1，王斌2，黄天寅1，贺志敏1（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025）摘要：文章采用不同热解温度制备的啤酒糟生物炭载体吸附固定化特征降解菌（SZ-3），分析啤酒糟生物炭理化性质与形貌表征对功能菌固定化能力的影响，探究菲、荧蒽、芘3种多环芳烃化合物（PAHs）的微生物降解效能强化以及反应周期内功能菌的增殖与酶活特性。结果表明，500 热解温度制备的啤酒糟生物炭亲水性强，比表面积及孔径分别为2.505 m2/g、23.928 nm，炭材料表面官能团以羧基、脂肪醚为主，电子传递性能优良，对功能菌的吸附量达到825.71 nmol P/g。批次实验条件下，优化制备的啤酒糟生物炭固定化功能菌对水中菲、荧蒽、芘的去除率分别为71%、38%和35%，相较于单独生物炭和游离功能菌体系，固定化降解菌对PAHs化合物去除率提升范围为8%34%，且菲的生物降解效能强化最为显著。同时，啤酒糟生物炭固定化降解菌体系中的功能菌生长数量和邻苯二酚双加氧酶活性也较大提高。采用啤酒糟生物炭作为微生物固定化载体强化难降解有机物去除具有良好的实际意义。关键词：生物炭；啤酒糟；固定化；多环芳烃；双加氧酶中图分类号：X172；X53文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.1461.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0009-10Removal Characteristics of PAHs in Water byImmobilized Functional Bacteria Adsorbed onto Brewer s Grains BiocharXU Xiaoyi1，CHEN Xiaobin1，CUI Jiahao1，BAI Jing1，WANG Bin2，HUANG Tianyin1，HE Zhimin1（1.School of Environmental Science and Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009,China;2.School of Civil Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China）Abstract：Biochar prepared at different pyrolysis temperatures from brewer s grains was used as a carrier for the adsorptionand immobilization of the PAHs(polycyclic aromatic hydrocarbon)degrading bacteria named SZ-3,whose physicochemicalproperties and morphology characterization,and their affects on the immobilization of functional bacteria were analyzed.Furthermore,the enhanced microbial degradation efficiency of three species of PAHs(phenanthrene,fluoranthene andpyrene),and their proliferation and enzymatic activity of the functional bacteria during the reaction cycle were investigated.The results indicated that the brewer s grain biochar prepared at a pyrolysis temperature of 500 was of high hydrophilicproperty,with a specific surface area and pore size of 2.505 m2/g and 23.928 nm,respectively;most of the functional groupson the surface of the carbon material were carboxyl groups and fatty enzymes,which had excellent electron transfer propertiesand possessed a large functional bacteria adsorption capacity of 825.71 nmol P/g;and in the case of the batch experiment,itwas showed that the removal rates of phenanthrene,fluoranthene,and pyrene by the optimized SZ-3,which had been preparedfrom brewer s grain,could attain up to 71%,38%and 35%,respectively.On the whole,in comparison with the sole biocharand free functional bacteria systems the increase of removal rates of PAHs compounds by use of SZ-3 ranged from 8%to34%,and particularly,the bio-degradation efficiency of phenanthrene was significantly enhanced.Additionally,the count offunctional bacteria increased,and the activity of catechol dioxygenase in the brewer s grain biochar fixed SZ-3 also significantly improved.To conclude,application of brewer s grains biochar as a microbial immobilization carrier is of practicalsignificance in terms of the removal of refractory organic matter.Key words：biochar;brewer s grains;immobilization;polycyclic aromatic hydrocarbons;dioxygenase第45卷固定化细胞技术是通过物理或化学的方法将分散、游离的微生物细胞固定在某一限定空间区域内，近年来常被用于难降解有机物的微生物强化去除，以削弱环境条件的不良刺激，提高特征菌细胞浓度，维持其较高的生物活性及竞争优势并能持续利用1-3。吸附固定化法作为固定化细胞技术中最常用的方法，主要通过载体对微生物细胞的静电吸附及分子间作用力实现良好附着4，具有操作简单、固定化条件温和、细胞活性损失小、易于固液分离等优点。Bera等5利用槟榔壳和丝瓜海绵等天然质材料作为微生物吸附固定化载体，用于苯酚废水的处理；Jindakaraked等6发现在去除百草枯的过程中，将细胞固定在带有污泥的陶瓷上可显著降低溶解性有机氮并提高百草枯的生物降解率。吸附固定化载体包括活性炭、沸石、无烟煤、陶瓷和多孔玻璃等无机吸附材料，以及海藻酸盐、聚丙烯铵和聚氨酯等有机高分子材料7-9。近年来，生物炭因其良好的抗微生物分解性、细胞负载性以及环境友好性，成为固定化吸附载体材料的研究热点。有研究采用玉米秸秆生物炭作为载体吸附固定枯草芽孢杆菌，有效促进了重金属在土壤中的去除10。Nie等11利用加拿大一枝黄花制备生物炭固定单菌与混菌，发现在不同影响因素下生物炭固定化均能提高细菌对吡啶的降解效率。有研究证实12在一定比例生物炭掺杂的生物降解体系中，微生物对菲的降解效率提高了18.3%32.5%。现有文献研究报道多集中生物炭添加的环境介质中，微生物降解污染物的强化去除特性及机制层面，结合载体材料本身理化性质（形貌、官能团、表面电荷和疏水性等）对微生物附着浓度、附着强度和活性维持等相关研究较为缺乏，进行吸附固定化载体材料的优化制备亦需深入探索。多环芳烃（polycyclicaromatichydrocarbons，PAHs）是一种普遍存在的具有“三致”效应的持久性有机污染物，易在生物体内富集，其潜在的生态危险不容忽视13。微生物修复技术因成本低廉、次生污染风险低、对生态环境影响小，被广泛应用于PAHs污染治理领域，而污染物高效生物降解去除的前提则是体系中特征菌生物量与细胞代谢活性的维持14，15。啤酒糟是酿酒行业伴生的副产物，富含纤维素、木质素等物质，其资源化利用是固体废物处理领域的重要课题，目前主要用于粗酶制剂与饲料制备原料、燃料乙醇、炭吸附材料等16-18。本研究基于不同热解条件啤酒糟生物炭固定化载体的制备及材料理化性质差异，分析了功能菌负载生物量特征、降解体系中目标污染物强化去除特性以及微生物细胞酶活行为，以期为啤酒糟生物炭固定化菌剂的研发及难降解有机污染的高效修复提供一定的理论与技术参考。1材料与方法1.1实验材料供试菌株。选择课题组前期从PAHs污染土壤中筛选的高效降解菌（SZ-3）为实验接种菌。经16S rDNA序列测定鉴定该菌株属于节杆菌（Arthrobacter sp），大小为(0.30.5 m)(1.52.0 m)，呈革兰氏阳性。啤酒糟取自苏州市某啤酒厂，蒸馏水冲洗干净，100 烘干至恒重后粉碎，过60目筛网干燥保存。1.2生物炭固定化功能菌的制备与表征1.2.1啤酒糟生物炭的制备及功能菌固定化啤酒糟生物炭制备。取20 g啤酒糟粉末于石英舟中，放入管式炉内，在N2氛围下以5/min的升温速率分别升温至400、500、600和700，裂解120 min，冷却至室温后取出称重，研磨过30目筛网，置于干燥器中备用。不同温度制备的啤酒糟生物炭分别表示为BL400、BL500、BL600和BL700。菌悬液的制备。取平板培养基中的SZ-3单个菌落，接种于250 mL的LB液体培养基，在30、16