【doc】白腐真菌菌丝球形成的物化条件及其对铅的吸附

【doc】白腐真菌菌丝球形成的物化条件及其对铅的吸附 白腐真菌菌丝球形成的物化条件及其对铅 的吸附 环境科学 ENVTRONMENTALSCIENCE Vo1.20.No.1 Jan..1999 物化条件及其对铅的吸附 卢英华进立哲7j 厦门大学化工系,厦f1361005E—mail;kelqb@jingxian.xInt1.educn)(厦门大学环境科学研究中心.厦门361005) 播要为丁探讨影响敞生物苗鳇球生长的物理化学固素和控制苗丝球大小的规律以厦鞭生物吸附重金属的效果,对黄孢展齿 革菌(phanerc~-haetechry.w~porium)呈球状体生长和用此菌丝球吸附水溶液中的Pb叶进行了研究宴验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在培养液pH 值为45,孢子悬梭堆度为10十/ml,表面活性剂吐温g0的浓度为01.高碳氮和摇床转速为150r/min的条件下,于39c下 培葺3d,形成直径在1.5--1.7ram范围内的菌丝球,光滑均匀,具有一定机械强度,对Pb抖的吸附能力最强.用0.2mo1./L的 NaOH溶液处理该菌墼球-对25mg/L的铅溶液的吸附率达到了95上,表明用请菌丝球暇附水溶液中的Pb是可行的. ?长量,孢子悬藏,表雌生剂.静衣P?诒.俊,口卜, 关键词竺堕,塑兰璺,一氪 TheEffectsofPhysicalandChemicalConditionsonFormingMycelial PelletofPhanerochaetechrysosporiumandBiosorptionofLead I.iQingbiaoWuJuanYangHongquanDengXuLuYinghua (DepartmentofChemicalEngineering.XiarnenUniversity,Xiamen361005E-mail:kelqb @jingxian.xInu.edu.ca) HongLiyuCaiLizhe (ResearchCenterofEn,AronmentandScience,Xi~rnenUniversity?Xiamen361005) AbstractTheresearchonthegrowthofPhanerochaetechrysosporiumintheformofpelletwas madeinthispapertoexaminetheeffectsofphysicalandchemicalconditionsontheformation ofmycelialpellets.Theexperimentalresultsshowedthatthemicroorganismpelletsofsmooth surfaca,evensize(diameter)andgoodmechanicalp~opertiescouldbeobtainedatthefollwoing cultureconditions:pH4.5,10spores/mlininoculum,0.1Tween80inmedium,highC/N andontheshakerof150r/minfor3d.UsingP.chrysosporiummycelialpelletsinthebiosorption ofPbfromaqueoussolution.theuptakereachedthemaximumwhenthediameterofpellet wasintherangeof1.5—1.7mm.Whenthepelletswerepretreatedbyboilingin0.2mol/L NaOHfor40rain,thePh"uptakewasfarhigherthanthepelletswithoUtpretreatment.andthe remoralefficiencycouldreachabove95.Theresearchresultsshowedthattheremovelof PbfromaqueoussolutionbyP.chrysosporiummycelialpelletswaspractica1. KeywordsPhanerochaetechrysosporium,mycelialpellet,biosorption,Pb",C/N,biomass, sporesuspension,surface—activeagent. 微生物菌丝球的培养和应用国内外已有报 道=.在工业上,菌丝球太多被用于发酵生 产,如生产柠檬酸,伞菌,酶和抗生素等,取得 了理想的效果.但在废水处理方面的应用尚不 多见.Sharma等研究了影响寄生曲霉 (Aspergillizsparasitic'us)呈菌丝球生长的各种 因素.Linko通过控制黄孢展齿革菌 (P.chrysosporium)菌丝球的培养条件来生产 术质素过氧化物酶,产量显着.Knapp等利用 *国家教委留学回国人员科研启动基金资助项目 李清彪男,35岁?博士.教授 虹稿日期:1998—04-06 环境科学2O卷 白腐真菌菌丝球对含有二号橙(Orangei)的 染料废水进行脱色,脱色率达98.真菌如黄 色曲霉(spergiltus.ftavus)?],酵母菌如啤酒 酵母(Sacchar~nycescerevisiae)7l,以及细菌如 生枝动胶菌(Zoogtoea.ramigera)等都能不同 程度地吸附重金属离子.Engl等":发现培养条 件对啤酒酵母的生物吸附能力有很大影响.目 前对微生物吸附重金属的研究多是利用粉末状 或固定化细胞,本文通过对黄孢展齿革菌成球 条件的控制,可自动形成具有一定机械强度和 大小的菌丝球,无需任何载体,既可应用于固定 床或流化床连续处理含重金属的废水,又降低 了成本. 1材料与方法 1.1材料 (1)菌种及培养基菌种为黄孢展齿革菌 (Phanerochaetechrysosporium),由香港科学技 术大学提供.培养基成分为(1L):Basal? medium100ml,葡萄糖10g,丁二酸钠 (O.imol/L)lOOml,硫胺素0.O01g,NH4H2PO. 0.25g,吐温80(O.1)50ml,痕量元素溶谴 6Oral,孢子悬液100m1.Basal1medium成分 为(1L):KH2PO42g,MgSO?7H2O5g,CaCI2 1g,痕量元素溶液lOOm1. (2)铅溶液的配制准确称取铅粉 0.2500g,置于100ml烧杯中,加入1+1硝酸 20ml,加热溶解,冷却后加水稀释并移入1L容 量瓶中定容至标线,浓度为250mg/L.用于吸 附实验的铅溶液由上述贮备液稀释而成. 1.2实验方法 (1)菌丝球的培养方法将配好的培养基, 用pHS3C型酸度计调节pH值至所需值,然 后于121?下灭菌20min.接种时,用无菌的生 理盐水冲洗黄孢展齿革菌的固体斜面,用接种 环轻刮斜面,直至菌体被完全冲洗下来.然后将 此孢子悬液按10的比例接种到上述培养基 中,于摇床上恒温,恒转速下培养3d.过滤收集 菌丝球,取出一部分于GQ7OE一型红外线快速 干燥器中烘干至恒重,测定干湿比}其余的可用 生理盐水浸泡,置于冰箱保存待用. (2)吸附方法为消除玻璃器壁对吸附的 干扰,所用玻璃仪器于吸附前均用1;1的硝酸 浸泡24h,洗净烘干待用.取初始浓度为 50mg/1的铅溶液100ml,用0.2mol/L硝酸和 0.5mol/L氨水调节至所需pH值(本实验取 4.5),加入0.2g(干重)菌丝球(按干湿比计算 干重),在26?下于摇床上吸附16h.然后过滤, 用PE3030型原子吸收分光光度计(美国 Perkin—Elmer公司)分析滤液中剩余Pb的浓 度. (3)碱处理将一定量菌丝球在0-2mol/L 的NaOH溶液中煮沸40min,然后过滤,用去离 子水冲洗至滤液呈中性,将此菌丝球用于吸附 实验. 本文中的吸附量是指单位细胞干重上吸附 的金属离子重量(rag/g).以下实验除非有特殊 说明,所用生物吸附剂均指未经任何预处理(本 文中定义为天然生物量). 2结果和讨论 2.1培养时间的影响 将配好的培养液(C/N一131,pH4.5)灭菌 后,按1O的比例接入浓度为9×1O个/ml的 孢子悬液,放入摇床进行培养,培养条件为 150r/rain,39"C.微生物生长情况见表1. 丧1微生物的生长状况 培养时间/h生长状况球径/mm 11颗粒非常小 1g颗粒较小0.8O,0.95 26颗粒增多,大小不均匀0.9O—1.10 36膜粒较均匀,较小1.30—1.40 48颗粒变大,色白,不太光滑1.40—1.50 6O颗粒继续增大,大,J,均匀1.6O一1.65 72颗粒大小基车不变.色白,光楫,均匀1.舯一1.70 80生长基本停止1.60—1.70 由表1的实验结果可知,随着培养时间的延长, 黄孢展齿革菌发生了外观形态的变化,形成了 球状颗粒.其成球过程是:孢子互相凝聚形成晶 核,由孢子生成的菌丝不断地缠绕在晶核上,进 而形成较大的菌丝球.因黄孢展齿革菌在成球 1期环境科学 生长的过程中其生物性能和外观形态都发生了 变化,故不同生长阶段的菌丝球的生物吸附能 力也应有所不同.为考察其中的变化规律,对不 同生长阶段菌丝球吸附铅的能力进行了测试, 实验结果见图1. 图1培养时间对生长量和吸附的影响 1细胞干重2.Pb.吸附量 从图l可以看出,随着培养时间的延长,黄 孢展齿革菌的生长量不断增多,在19~60h之 间生长很快,72h以后停止生长.从吸附能力来 看,培养时间超过48h后,所得菌丝球的吸附能 力变化已不大,以生长72h的菌丝球对Pb的 吸附量最大,达l6.07mg/g,此时菌丝球的球 径在1.6—1.7ram之间.所以综合考虑,培养 72h最佳.2.2pH的影响固定培养过程 的其它条件,改变培养液pH值,实验结果如表 2所示.pH2时微生物的生长量很少,在 I)H4.5—6.5之间生长量最大(1.7—1.9g/I培 养液),pH大于7以后生长量逐渐减少.在实验 过程中还观察到,在pH2时不能形成菌丝球, 在pH45—65之间球径变化不明显,且菌丝 球光滑,均匀,只在pH大于7以后,球径才明 显减小,且菌丝球大小不很均匀.由此可见,强 酸和碱性条件对菌丝球的生长都有一定的抑制 作用.从球径和干湿比的关系中不难发现,菌丝 球越小,干湿比越大,说明球中所含水分越少, 强度越好.由此可见pH值是影响微生物成球 生长的一个重要因素.因为pH影响微生物原 生质膜所带电荷以及某些营养物质的分解和电 离程度,从而影响微生物对养分的吸收;其次, pH也影响细胞内的代谢作用和孢子表面性 能..].所以pH对菌丝球的质量和形态都有较 大影响. 从吸附结果来看,在pH4.5--6.5范围内 衰2培养基pH值对成球和Pb吸附的髟响 1)培养条件:孢子悬液浓度一9×lO~-/ad,C/N~131,39C,150r/miu,3d 生长的菌丝球对Pb的吸附能力较好,吸附量 最大值为16.34mg/g.吸附率为66.64,此时 球径在1.6一1.7ram之间.球太大时比表面积 小,导致吸附量较小.球太小则虽然比表面积较 大,但含水量少,菌丝缠绕紧密,造成传质阻力 增大,所以吸附量也会降低.因此对于吸附过程 来说,应有一最佳球径范围.选择pH4.5作为 培养液pH值对于成球和吸附都有利. 2.3碳氮比的影响 在培养基成分中,碳源和氮源是构成细胞 和代谢产物的主要元素,又是提供微生物生命 活动所需能源的原料.培养基的碳氮比是关系 到细胞能否生长,菌丝生长量多少以及菌丝球 形态的关键因素, 36环境科学2O卷 1)培养条件:pH4.5.孢子悬液浓度:2.1×10十/ml,39c.150r/rain.3d 表3结果表明,在含氮量相同的条件下,随 着含碳量的增大生长量增多,球径变小,机械性 能有所改善,且以C/N为l31时的球径最小 (1.6--1.7mm),质地最硬.在含碳量相同的情 况下,随着古氮量的增大,生长量和球径也随之 增大,但材料的机械性能急剧变差.综合考虑, 选择高碳低氮的培养基对提高菌丝球的综合性 能最为有利.另一方面,从吸附性能来看,随着 碳氮比的提高.菌丝球的吸附能力逐渐增大,只 在碳氮比大于100以后,上升趋势才减缓.所以 可以认为在高碳氮比下培养得到的菌丝球对 Pb的吸附能力最强,机械强度也较好. 2.4表面活性剂的影响 为改善微生物菌丝球的均匀程度,在培养 基中引入一一种表面活性剂吐温80,考察了不同 浓度的表面活性剂对成球和吸附能力的影响. 表4衰面活性剂浓度对成球和Pb抖吸附的影响 Twin80难度/ 球径imm 细胞干重?L_. 吸附率/ 吸附量/rag?g_. "培养条件:pH4.5,孢子悬液浓度8.I×1O个/ml-C/N131,39C,150r/rain,3d 实验结果表明(表4).吐温80浓度在0— 2范围内,生长量是逐渐增大的,而球径则表 现出先增大后减小的趋势.若培养液中不含吐 温80,则菌丝球大小不均匀,质地软;而加入吐 温80以后,菌丝球不但大小均匀,光滑而且弹 性好,质地较硬. 吐温80在培养过程中所起的作用与它的 化学结构有很大关系.吐温是多醇类非离子型 表面活性剂,吐温80分子中含有聚乙氧基亲水 链,比吐温20,吐温60的亲水链要多,因而大 大改善了吐温80的水溶性和乳化性能.并且由 于亲水基团是聚乙氧基,它具有较高的负电荷 密度,有利于孢子,菌丝的凝结, 分析表4中的吸附结果可以得出与表2相 同的结论,即球径过大,过小都不利于吸附,在 1.5l,7mm的球径范围内,吸附量最大,为 16.4lmg/g,吸附率达65.65. 2.5孢子悬液浓度的影响 配制不同浓度的孢子悬液,考察其对成球 和吸附的影响. 实验结果表明(表5),随着所接入的孢子 悬液浓度的减小,菌丝球变大而数量减少,且球 径越大,干湿比越小,表明球的机械强度越差. 当孢子浓度低时,孢子凝结成晶核的机会减少, 形成的晶核也就较少,故最终生成的菌丝球数 量比高孢子浓度下要少.另一方面,由于培养液 中孢子数量少,生成的菌丝就少,所以每个晶核 上缠绕的菌丝也就少,可观察到此时的菌丝球 O L叭:雪 0%H %酾n 盯H 0 L盯 ?瞄M 聃? m卜 0 L?卜 L卯 仉卜 n 仉 一 0一晡扑? 1期环境科学 大而松散.而在高浓度的孢子悬液情况下,初始 晶核和生成的菌丝较多,每个晶核上缠绕的菌 丝相对来说就比较多,因而形成较小且质地较 硬的菌丝球.经分析认为,孢子悬液浓度控制在 10个/ml时,菌丝球质量和机械性能以及吸附 性能都比较好. 2.6摇床转速对成球的影响 不同摇床转速下的培养结果见表6.虽然 只作了3种转速下的成球培养,但仍能看出一 个大概趋势. 表5孢子悬液浓度对成球和Pb吸附的影响 摇床转速/r?rain—i细胞干重旭?LI1干湿比球径/mm表面特征 1)培养条件:pH4.5.孢于悬液浓度=12×10十/ml,C/N=131.39C,3d 从表6来看,摇床转速对成球的影响很大. 生长量随着转速的提高而增多,但在高转速下 变化的趋势不大;球径随转速的减小而迅速增 大,机械性能则变差.这是因为一方面,在不同 的振荡条件下,培养液的溶氧状况不同.据研 究,在气态氧的传递过程中,主要传质阻力是液 膜阻力.提高摇床转速可增大培养液的湍动 程度,降低传质阻力,从而提高氧的转移速率. 由于黄孢展齿革菌是好氧菌,因而转速提高促 进了菌丝的生长.而在较低转速下,由于培养液 中溶氧量较少以及溶氧的不均匀,处在颗粒中 心的细胞会因缺氧而自溶,表现为菌丝球的中 空现象.另一方面,转速的大小又决定了培养液 中菌丝球所受机械力的大小.过分剧烈的机械 搅拌产生的强剪切作用会使菌丝体受到损伤; 相反,在低转速下菌丝体所受剪切力较小,相互 之间缠绕得不很紧密,因而造成菌丝球松散,质 地松,球径大.另外,搅拌也可使培养液内的温 度和营养物浓度均匀,同时可尽快排出细胞代 谢产生的废物(如CO).有利于细胞的代谢活 动.在本实验中采取较高转速(150r/min)培养 黄孢展齿革菌的菌丝球较为适宜. 2.7培养液中ca浓度的影响 为改善菌丝球的机械性能,在培养液中加 入不同浓度的ca".从实验结果(表7)可看出, 随着CaC1浓度的逐渐增大.生物量有很明显 的增长,在CaC1浓度为0.04时达到了最大 值;而在此之后呈现急剧下降的趋势,当CaC1 浓度大于0.05时,下降趋势变缓.当CaC1 浓度从0.01增大到0.1时,菌丝球大小差 不多,但其千湿比却有较大差别.随着ca!一浓 度的增大,菌丝球的干湿比也增大,表明其机械 性能也在不断地增强. 将该菌丝球投放到初始浓度为25mg/L的 铅溶液中,实验结果表明Ca浓度的变化对 Pb的吸附能力影响不大(生物量于吸附前经 碱处理),但与天然生物量相比,碱处理后的生 物量对Pb的吸附能力大大提高,从65左右 38环境科学20卷 表7培养基中caa浓度对成球和吸附的影响 1)培养条件:pH45r孢子悬液浓度=I4×10十/mr,C/N=131,39c,150rlmin,3d 提高到90以上碱处理改变了细胞壁的结 构,溶解了细胞上一些不利于吸附的杂质,暴露 出细胞壁上更多的活性结合点,从而提高了吸 附能力.综合考虑,培养液中CaCI浓度取 0.04时,生长量较多,菌丝球的机械性能适 中,对Pb的吸附量也较大. 3结论 (1)培养基成分,pH值,孢子悬液浓度以 及培养时间和摇床转速对成球都有影响,其中 以pH值,孢子悬液浓度和摇床转速的影响最 大.当培养基的碳氮比为131,pH为4.5,吐温 80浓度为0.1,孢子悬液浓度为10个/ml, 于150r/rain的摇床上培养3d时,可得到颗粒 大小适宜,机械强度和吸附性能较好的菌丝球. (2)菌丝球经碱处理后其吸附能力大大提 高,因而用改性后的微生物菌丝球去除水溶液 中的铅离子是可行的. (3)本文仅从菌丝球的物化性能方面探讨 了其对生物吸附铅的影响,今后的工作将重点 研究影响生物吸附过程的物化因素,以及含重 金属的废水在固定床和流化床上的吸附行为, 并进一步探讨生物吸附的机理. 参考文献 1SharmaA,Padw~l-DesaiSR.Ontherelationshiphe tweeBpelletsi弛andaflatoxin)fieldinAs#ergiltuspara- 打阱.Biotechao1.andBioeng.,1985.27(11):15"一 1580 2LinkoSProductionandcharacterimtionofextracellular tlgninperoxidasefromimmobilizedPhanerochaete chrysoal~Orlumina10Lhloreactor.EnzymeM~roh. TechnoL,1988,10(6)z41O一417 3韩鹿.王双飞,陈嘉翔白腐菌对蔗渣浆CEH漂白废水 的脱色工业水处理r1996r16(3):25—26 4Pro~serJ1,ToughAJGrowthmeehemsmsandgrowth kineticsoffilamentousmicroorganismBiotechnology, 1991,lO()253--274 5KnappJS,Fu-rI1gZheng.TapleyKN.Deco[ourlsation ofOran~Ibyawood-rottingfungus.J.Chem.Tech. Bioteelanot.1997,69(3)t289—296 6HalerN.Ahdel-RazekAS,FlMezMBAccumulationof someheavymetatsonAspergillusJ.Chem.Tech. Bioteehno1.,1997,'8(1):19—22 7EnglA.KuntR~osorptJonofheavymets|sbyS~cha- rol~yc@$cere'eislae:e|focts.fnutrientcond~tiotm.J. 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