响应面法优化固定化微生物降解石油污染物.pdf

2 0 1 2年 l O月 石 油 学 报 石 油 加工 A C T A P E T R O L E I S I N I C A P E T R O L E U M P R O C E S S I N G S E C T I o N 第 2 8 卷第 5 期 文 章 编 号 1 0 0 1 8 7 1 9 2 0 1 2 0 5 0 8 7 6 0 7 响应面法优化 固定化微 生物 降解石油污染物 张秀 霞 ，吴佳 东 ， 滕 芝 ，王 磊 ，李进辉 中国石油大学 环境科学 与工程系 ，山东 青 岛 2 6 6 5 8 0 摘要 从炼油厂活性污泥 中筛选和驯化 了 1株石 油降解菌 s J 一 1 ，以秸秆 材料 wT为 固定化 载体 ，采用表 面吸 附法 制备固定化微生物 ；以胜利原油 为反应底物 ，考察了温度 、微生物接种量 、原油质 量浓度 、p H值 对原油降 解率的 影响 ；采用响应面法优化 了降解条件 ，并在优化条 件下进行 了降解 动力学实 验。结果表 明，单 因素对 降解 率 的影 响程度从大到小的顺序为温度 、p H 值 、原油质量浓 度 、接种量 ，其 中 p H 值和 原油 质量浓度 、原油 质量浓度 和温 度的交互影响对原油降解率影响较显 著 ；根据 响应 面模型 计算得 到的最 佳降解 条件 为 p H 值 7 ． 0 、原 油质量浓 度 5 0 0 0 mg ／ I 温 度 3 4 C、接种量 4 6 g ／ i ，此时原油降解 率最 高达 6 8 ． 3 ％；固定化 微生物 和游 离微 生物降解过 程均 符合一级动 力学 ，且前者的降解速率是后者的 3 ． 6 7倍。 关键词 石油降锯茵 ；固定化微 生物 ；响应面 ；动力学 中图分类号x1 7 2 ； T E 9 9 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 8 7 1 9 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 2 7 Opt i mi z a t i o n f o r Oi l De g r a d a t i o n b y I mm o b i l i z e d M i c r o o r g a ni s m Thr o u g h Re s p o n s e S u r f a c e ZHANG Xi u x i a ，W U J i a d o n g，TENG Z h i ，W ANG Le i ， L I J i n h u i De p a r t me n t o f E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ， Qi n g d a o 2 6 6 5 8 0， C h i n a Ab s t r a c t S J 1，a p e t r o l e u m d e g r a d a t i o n s t r a i n s e l e c t e d a n d d o me s t i c a t e d f r o m o i l r e f i n e r y a c t i v e s l ud g e wa s e m p l o y e d t o pr o du c e i mmob i l i z e d mi c r o o r g a ni s m wi t h W T ． a s t r a w ma t e r i a l i n a ds o r pt i on ． Cr u de oi l f r o m S he n gl i o i l f i e l d wa s c ho s e n a s r e s p ons e s ubs t a n c e ． Th e f a c t o r s i n f l u e nc i n g o i l de gr a da t i o n r a t e wa s s t ud i e d，i n c l u di ng t h e t e mpe r a t ur e，i n oc ul a t i o n a m o u nt ，c r ud e o i l i ni t i a l m a s s c on c e nt r a t i o n a nd pH v a l u e ． Al s o， r e s p o ns e s ur f a c e me t ho d ol o g y wa s us e d t o o pt i m i z e t h e d e gr a d a t i on c o nd i t i o ns ． De g r a d a t i o n d y na mi c s e x p e r i me n t wa s a l s o s t u d i e d u nd e r t h e o pt i m a l c on di t i o ns ． The r e s u l t s s h o we d t ha t t he i nf l ue n c e de gr e e o f t h e s i ng l e f a c t or t o t h e o i l de gr a d a t i on r a t e f r o m l a r ge t o s m a l l wa s t e mpe r a t u r e，pH v a l u e，c r u de o i l i n i t i a l m a s s c o nc e n t r a t i on a nd i no c u l a t i o n a mo un t ． The i n t e r pl a y o f pH v a l u e a n d c r ud e o i l i ni t i a l ma s s c on c e nt r a t i o n，c r u de oi l i n i t i a l ma s s c on c e nt r a t i o n a nd t e mpe r a t u r e r e ma r ka b l y i n f l u e nc e d t h e o i l de gr a da t i on r a t e ． The b e s t d e g r a da t i o n r a t e o f 6 8 ．3 wa s o bt a i ne d un de r t h e c o nd i t i onsc a l c u l a t e d a c c o r di ng t o t he r e s p o n s e s u r f a c e mo d e 1 o f p H v a l u e 7 ． 0。t h e c r u d e o i l i n i t i a l ma s s c o n c e n t r a t i o n 5 0 0 0 rag ／ I ，t h e i n o c u l a t i o n a mo u n t 4 6 g ／ I a n d t h e t e mp e r a t u r e 3 4 C．Th e d e g r a d a t i o n p r o c e s s o f i mmo b i l i z e d a n d f r e e m i c r o or g a ni s m a c c o r de d wi t h f i r s t or d e r k i ne t i c e q u a t i o n， a nd t he de g r a da t i o n s pe e d o f i mmob i l i z e d mi c r oo r ga ni s m wa s 3 ．6 7 t i m e s o f t ha t o f f r e e m i c r o be s ． Ke y wo r ds pe t r o l e um d e gr a d a t i on s t r a i n；i mmob i l i z e d m i c r o or g a n i s m ；r e s p o ns e s ur f a c e；d yn a mi c s 收稿 日期 2 O 1 1 0 8 1 2 基金项 目中国石油科技创新基金 2 0 0 9 D - 5 0 0 6 0 7 0 1 和中央高校基本科研业 务费专项基金 2 7 R1 1 0 4 0 5 2 A 资助 通讯联 系人 张秀霞，女 ，教授 ，博士 ，从事石 油污染土壤的修复技术研究 ；E - ma i l z h x i u x i a u p c ． e d u ． c n 第 5期 响应 面法优 化固定化微生物降解石油污染物8 7 7 石油 污染 土壤 由石 油及 石 化 企 业 产 生 的 污染 引 起 ，其中的石油污染物对人体及环境具有很严重的 毒害 作用 ] 。 目前 ，固定 化 生 物 技 术 在 多个 环境 领 域 发挥 着 重要作 用 ， 已应 用 于 生 物 难 降解 有 机污 染 物 处理 E 。 。 ] ，废水 中 重 金 属 离 子 去 除 ] ，高 浓 度 有 机废 水处 理 ，恶臭 气 体 、VO C、S O 。等 废 气 污染 物 的处 理E 。石油 污 染 土 壤 中微 生物 种 群 丰 富 ，对 土 壤 中的石 油降 解 菌 分 离 、纯化 、驯 化 可 以 得 到不 同 降解性能的菌株 。选择适 当的固化材料制备固定化 微生物 ，可用于修复石油污染土壤 ] 。 响应 面分 析 法 R e s p o n s e s u r f a c e me t h o d o l o g y ， Rs M 是近几年发展起来 的一种分析方法 。其原理 是 通过 一 系列确 定 性 试 验 拟合 一 个 响应 面 ，来 模 拟 真实的极限状态曲面，从而很容易地进行 可靠性分 析口 。响应面分析法采用 回归方 程作 为函数估 计 的工 具 ，将 多 因 子 试 验 中 因子 与 指 标 的 相 互 关 系 用多项式 拟合 ，精 确地表 述 因素与 响应 值之 间 的 关 系 ，并 依 此从 响应 面 的 形 状 上 找 到 最 佳 控 制 点 ， 可用于确 定各 因素及其 交互作 用在 工艺过程 中对 指标的影 响，在 试 验 设 计 与 结 果 表 达 方 面 更 加 优 良。 笔者 以筛选出的高效石油 降解菌为菌源，选用 可 自然降解的、无 害的秸秆为载体材料 ，采用吸附 法制备固定化微生物 ，以胜利原油为降解对象 ，考 察温 度 、 固定 化微 生物 接种 量 、原 油质 量浓 度 、p H 值对原油 降解率 的影响 ；采 用响应面法进 行优化 ， 得 到最 佳 降解条 件 ，并 分 析 各 个 因素及 因 素之 间 的 交互作 用对 原油 降解 效 果 的 影 响 ；在 最 佳 降解 条 件 下进行降解动力学实验 ，比较 固定化微 生物和游离 微生物的降解效果。 1 实验 方法 1 ． 1 仪器 江 苏省 金坛 市 医疗 仪 器 厂 THZ 一 8 8型 水 浴 恒 温 振荡 器 ；梅 特 勒一 托 利 多仪 器 有 限公 司 A B 2 0 4 一 L 型 分析 天平 ；苏 州 净 化设 备 有 限公 司 B C M一 1 0 0 0型生 物净化工作台；上海合利仪器有限公司 UV一 2 1 0 0型 紫外 可见 分光 光 度计 ；山 东新 华 医疗 器 械 股 份有 限 公司 YXQ GOZ型电热式蒸汽消毒器。 1 ． 2材料 以胜利 原 油 为实 验 用 油 ；从 炼 油 厂 活性 污 泥 中 筛选驯化单菌 S J 一 1为降解 菌株 ，菌株颜色为 白色 ， 不规则形状 ，表面粗糙 ，菌落扁平 ，具体的鉴定工 作在 后续 实验 中进 行 ；秸 秆 载 体 材 料 wT，粉碎 至 粒径 8 0目。 培养基 1 富集含油培养基 ，牛 肉膏 0 ． 3 g ， 蛋 白胨 1 g ，Na C 1 1 g ，原 油 1 g ，蒸馏 水 1 0 0 mL， 调节 p H 值 8 ． 5 ； 2 无 机 盐 培 养 基 ，Na C 1 0 ． 5 g ， N H4 2 SO4 0 ．1 g， M g S O47H2 O 0 ． 0 2 5 g， Na NO3 0 ． 2 g ，K2 HP O4 ． 3 H 2 O 1 ． 0 g ，KH2 P O 0 ． 4 g ，蒸 馏水 5 o mL，调节 p H值 8 ． 5 ； 3 原油无机盐培养 基 ，N a C 1 0 ． 5 g ， NH4 2 S O 4 0 ． 1 g ，Mg S 0 4 7 H 2 O 0． 0 2 5 g， N a NO3 0 。 2 g， K2 H PO43 H 2 O 1 ． 0 g， KH P O 0 ． 4 g ，蒸 馏水 5 0 mL，调节 p H 值 8 ． 5 ， 原油加入量根据需要而定 ，配制 固体培养基则需加 入 1 5 ～2 0 琼脂 ； 4 牛 肉膏 蛋 白胨 培养 基 ，蛋 白胨 1 ． 0 g ，牛 肉膏 0 ． 5 g ，Na C I 1 ． 0 g ，蒸 馏 水 1 0 0 mL，调 节 p H 值 7 ． 0 ，配 制 固体 培 养 基则 需 加 入 1 5 ～2 0 ％琼脂 。 1 ． 3实验 方法 1 ． 3 ． 1 固定化微生物制备方法及生物量的测定 取 载体材 料 wT 4 g 压实 装入 2 5 0 mL锥形 瓶 中 ，1 2 1 ℃高 压蒸 汽灭 菌 2 O mi n ，然 后 将 活化 1 6 h 的 5 0 mI 菌液接到锥形瓶 中，于 1 6 0 r ／ mi n摇床 中 3 O ℃恒 温培养 一 定 时 间。倒 掉 培 养基 ，将 载体 用 蒸 馏水转移 到离心 管 中，1 0 0 0 r ／ rai n下 离心 5 mi n ， 然后 倒掉 上层 清 液 。重 复 该 步骤 3次 ，离心 所 得 沉 淀 即为 降解原 油用 的 固定化微 生 物 。 将 2 ． 0 g固定 化 微 生 物加 入 到 锥 形 瓶 中 ，加 入 5 0 mL无 菌 水 ， 于 1 4 0 r ／ mi n摇 动 0 ． 5 h 。取 菌 液 1 mI 以 1 O倍 为 梯 度 进 行 稀 释 ，涂 布 平 板 计 数 。确 定 游 离 菌 液 中细 菌 数 量 时 亦取 1 mI 菌 液稀 释 ，涂 布 平板 计数 。 1 ． 3 ． 2 原油降解率的测定 将 固定化 微 生 物 置 于原 油 培 养 基 中，5 d后 测 其降解率 r ／ 。由于 固定化载体材 料表面会吸附原 油 ，简单的萃取不能将原 油全部萃取。首先向原油 培养基中加入 5 O mI 石 油醚 ，于摇床震荡 0 ． 5 h ， 萃取剩余原油 ，然后将 固定化微生物用无水硫酸钠 脱水 ，用石油醚作溶剂 ，索 氏抽提 8 h 。将 两部分 含油石油醚相加，稀释～定倍数后用紫外分光光度 计 测 定 吸光度 ，根 据 吸 光度 与 原 油 的关 系 曲线 得 到 原 油 浓度 ，并 按式 1 计算 原 油降解 率 。 叩一 10 。 一 l。 ／ p 。1 0 0 1 式 1 中，叩为降解率 ， ；P c 、l0 分别为初始原 油质 量浓度 和剩 余原 油质 量浓 度 ，mg ／ L 。 8 7 8 石油学报 石油加工 第 2 8卷 1 ． 3 ． 3 单 因素考 察实 验 选取 温度、接 种量、原 油初始质 量浓度、p H 值作为影响原油降解的主要 因素。通过单 因素实验 确定各个因素对原油降解率 的影响 ，并分别确定原 油 降解率 最高 时 对应 的温 度 、接 种量 、原油 初 始 质 量 浓度 、P H 值 。 1 ． 3 ． 4响应 面优化 实验 以在单 因素实 验 的基 础 上 找 到最 佳 实 验 条件 的 组合作为中心点 ，在 中心点两侧取适 当水平 ，按 响 应面优化 B o x - B e h n k e n D e s i g n B B D 实验设计模型 设计实验，在中心点邻域对影响原油降解的各个 因 素利用 回归方程进行关联 ，将各个因素对实验结果 的影 响进 行 量 化 ，并 利 用 回归 方 程 优 化 实 验 条 件 ， 确定原油降解率最高时的实验条件组合 。 1 ． 3 ． 5 动力学 实验 在最佳原油降解的实验条件下，分别用固定化 微生 物 、游离微 生 物 进 行 降解 动 力 学 实验 ，二 者 保 持 等生 物 量 。在 第 1 、2 、3 、4 、5 、7 、9 d取 样 测 定 原油 质量浓 度 ，考察 原油 降解率 随时 间的变 化 。 2结果与分析 2 ． 1 单 因素对 原油 降解率 的影 响 2 ． 1 ． 1 原油质量浓度的影响 在 5 0 mI 不 同原 油质量 浓度 的原油 培 养基 里 加 入 3 ． 0 g固定化微 生 物 ，在 p H一 7 、温 度 3 0 C的条 件下，考察原油初始质量浓度对原油降解率的影响 ， 结 果如 图 1 所 示 。 p ／ mg L 图 l 原油初始质量浓度 对固载化 微生物降解原油降解率 叩 的影响 F i g ． 1 Ef f e c t o f o i l i n i t i a l ma s s c o n c e n t r a t i o n p o o n t h e d e g r a d a t i o n r a t e 1 1 o f c r u d e o i l b y i m mob i l i z e d m i c r o o r g a ni s m pH一7； 一 3 0 ℃ ；“一6 0 g ／I 由 图 1 可 见 ， 当 原 油 初 始 质 量 浓 度 小 于 6 0 0 0 mg ／ L 时，原油降解率 随着原油初始质量浓度 的增加 而增 加 ；当原油初始 质量浓度 大于 6 0 0 0 mg ／ I 时 ，原 油 降解率 下 降 。这 是 由于 当原 油初 始 质 量 浓 度不 高时 ，培养 液 中营养 物 质 相对 增 加 ，微 生 物 活 性增强 ，原 油降 解 率 高 ；原 油初 始 质 量浓 度 过 高 会 影 响微生 物 的活性 ，抑制 菌 体 生长 繁 殖 ，致 使 原 油 降解 率下 降 。选 择 原 油初 始 质 量 浓度 为 6 0 0 0 mg ／ I 进行 后续 实验 。 2 ． 1 ． 2 p H 值 的影 响 在 5 0 mL原油 培养 基里 加 入 3 ． 0 g固定 化 微 生 物 ，在 原油初 始质 量浓 度 6 0 0 0 mg ／ I 、温 度 3 O ℃ 的 条件下 ，考 察 p H 值 对 原 油 降 解 率 的影 响 ，结 果 如 图 2所示 。 p H v a l u e 图 2 p H值对固载化 微生物降解原油 的降解 率 ， 1 的影响 Fi g ． 2 E f f e c t o f p H v a l u e O il t h e d e g r a d a t i o n r a t e 叩 o f c r ud e o i l b y i mmo bi l i z e d mi c r o or g a ni s m P r 一6 0 0 0 mg ／ I 一 ；口 一3 0C； 一 6 0 g ／ l 由图 2可 见 ，当 p H 值 小 于 7时 ，微 生 物对 原 油的降解率 随着 p H值 的升高而升高 ；当 p H值 大 于 7时 ，降解菌对原油的降解率随 p H 值继续升高 而 下降 。这种 现象 与 细 胞 酶 的活 性 受 p H 值 影 响有 关 ，p H 值 过 高 或 过 低 均 影 响 酶 活 性 ，从 而 降 低 细 胞代谢速率 。处于最佳 p H 值时，利于酶发挥最佳 活性 ，利于细胞对原油代谢 ，故原油降解率最高。 2 ． 1 ． 3 温 度 的影 响 在 5 0 mL原 油 培养 基 里 加 入 3 ． 0 g固定 化 微 生 物 ，在原油初始质量浓度 6 0 0 0 mg ／ L、p H一7的条 件 下 ，考察温度对原油降解率的影响，结果如图 3 所示。 由图 3 可 见 ，当温 度低 于 3 5 ℃ 时 ，随着 温 度 的 升高 ，原油降解率上升 ；温度高于 3 5 ℃时，原油降 解率随温度升高而下降。温度也是影响酶活性的 因 素之 一 ，温度过 高 或 过低 均 会 使 酶 活性 降低 ，细 胞 代谢 能力 降低 ，使原 油 降解 率 降低 。当温度 为 3 5 ℃ 时 ，酶 活性最 高 ，代 谢 旺盛 ，原 油 降解率 较高 。 第 5期 响应面法优化固定化微生物降解石油污染物 8 7 9 e| c 圈 3 温度 对固载化微生物降解原油的降解率 f t ／ J 的影响 Fi g ． 3 Ef f e c t o f t e mp e r a t u r e 0 o n t h e d e g r a d a t i o n r a t e 7 ／ o f c r u d e o i l b y i mmo bi l i z e d mi c r o or g a ni s m 6 0 0 0 mg ／ I ；p H一 7； 一6 0 g ／ t 2 ． 1 ． 4 生物 接种 量 的影 响 当原 油初 始 质 量 浓度 6 0 0 0 mg ／ I 、p H一 7 、温 度 3 5 ℃时，考察生物接种量对原油降解率 的影 响， 结果 如 图 4所 示 。 ／ g L 图 4 生物 接种量 p J 对固载化微生物降解原油的 降解率 t 1 的影响 F i g ． 4 Ef f e c t o f i n o c u l a t i o n a mo u n t ．1 1 O i l t h e d e g r a d a t i o n r a t e t ， o f c r u d e o i l b y i mmo b i l i z e d mi c r o o r g a n i s m P n 一 6 0 0 0 mg ／I ；pH一7； 一 3 5 ℃ 从图 4可见 ，当生物接种量低于 3 O g ／ L时，随 着生物接种量 的增加 ，原油降解率升高；生物接种 量超 过 3 0 g ／ I 时 ，随着生 物接 种量 的增 加 ，原油 降 解率缓慢降低 。当生物接种量较少时 ，营养物质充 足 ，细菌相互之间不会 出现抑制作用；随着生物接 种量 的增 加 ，细 菌 之 间争 夺 营 养 物 质 ，相 互 之 间 产 生竞 争和 抑制 关系 ，故 出现 原油 降解 率下 降 的现象 。 最佳 生 物接 种量 为 3 O g ／ L。 2 ． 2 固定化 微 生物 降解原 油 的响应 面优 化实 验 根据单因素对原油降解率影响的考察结果 ，按 响应 面 B o x - B e h n k e n De s i g n B B D 法 设 计 实 验 ，其 因素 和水 平列 于表 1 ，所 得结果 列 于表 2 。 表 1 固定化微生物降解原油的 B B D实验设计的 因素与水平 Ta b l e 1 Fa c t o r s a n d l e v e l s o f Bo x - Be hn k e n e x p e r i me nt a l d e s i g n f o r c r u d e o i l de g r a d at i o n b y i m m o bi l i z e d m i c r o or g a ni s m 表 2 固 定化 微 生 物 降 解原 油 的 BBD 实 验 结 果 Ta b l e 2 Bo x - Be hnk e n e x pe r i me nt r e s ul t s o f c r u d e o i l d e g r a da t i o n b y i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a ni s m 8 8 0 石油学报 石油加工 第 2 8 卷 采用 De s i g n E x p e r t 8 ． 0 5对表 2的实验数据进 行 分析 ，采用 C u b i c模 型 进 行关 联 。关 联 过 程 中 的 模型各项系数的方差 分析列于表 3 。当显著性系数 小 于 0 ． 0 5时 ，表示该 项 指 标影 响 显 著 ；当 户小 于 0 ． 0 1时 ，表示该 项指 标影 响非常 显著 。 表 3 固 定化 微 生物 降解 原 油 的 BB D 实验 数 据 的 方 差 分 析 ANOVA Ta bl e 3 ANOVA of e x pe r i me nt a l da t a of c r u de o i l de g r a d a t i o n b y i m m o bi l i z e d m i c r o o r g a ni s m 该模 型 的显 著 系 数 P 一 0 ． 0 0 0 2 P 0 ． 0 1 ，失 拟项 显著 系数 L a c k o f f i t 为 0 ． 1 1 5 4 大 于 0 ． 0 5 不 显著 。比较各项的显著系数可知 ，单 因素对原油 降 解率 的影 响 程 度 由大 到 小 的顺 序 为 温 度 户 0 ． 0 0 0 1 、p H 值 一0 ． 0 0 0 2 、原 油 初 始 质 量 浓 度 P 一0 ． 0 0 1 5 、生物接种量 一0 ． 0 1 8 6 ；p H 值和 原油初始质量浓 度 P一0 ． 0 0 0 1 、原油初始质量浓 度 和温度 P一0 ． 0 0 5 1 的交 互 影 响对 原 油 降 解 率 的 影 响较 显著 。 得 到 的回归方 程如 式 2 所 示 。 “ 一 6 3 ． 3 2 1 3 ． 1 4 A 一 7 ． 3 6 B 2 2 ． 4 1 C 3 ． 6 4 D 一 1 4． 1 8AB 2 ． 03 AC 0 ． 3AD 5 ． 2 9 BC一 4 ．5 7 BD 一 0． 1 9 CD 一 1 4 ．6 2 A0 8 ．8 4 B。一 1 5 ．8 7 C。一 9 ．5 0 D。一 1 ． 9 5 A。 B 一9 ． 5 7 A C 3 ． 4 2 A。 D 1 6 ． 6 8 AB 1 2 ． 09 AC 一 29 ．5 0 B C 6 ． 8 8B D 1 4 ．3 7 BC。 2 方程 相关 系数 R一0 ． 9 9 8 2 ，表 明拟 合 方 程 精 确 度 较高 ，实验 失拟项 较小 ，可用 于实 际值 的分析 。 由以上 回归方 程 求解 固定 化微 生 物 降 解原 油 的 最 佳实 验条 件 ，得 到 的最 佳 条 件 为 p H一7 ． 0 、原 油 初 始质 量浓 度 5 0 0 0 mg ／ L、温 度 3 4 ℃ 、生物 接 种量 4 6 g ／ L，此 时原油 降解 率 最高 达 6 8 ． 3 。在 上 述 实 验条件下验证该实验 ，原油降解率为 6 8 ． 2 ，与求 解结果 很 接近 ，证 明优 化所 得模 型条件 为最 优条 件 。 2 ． 3降解 动 力学 实验 在响应面优化实验得到的最佳条件 下，进行降 解 动力 学实验 。为 了保 证 固定 化微 生 物 和 游 离微 生 物含有 相等 的生 物量 ，用 平 板计 数法 得 到 固定化 微 生物吸附细菌数 目为 2 ． 9 2 5 1 0 个／ g ，游离菌液细 菌 数 量 9 ． 5 1 0 “个 ／ mI ， 等 生 物 量 换 算 关 系 ， 2 ． 9 2 5 1 0 ”／ 9 ． 5 1 0 “一 3 ． 1 mI ／ g， 即 1 ． 0 g 固定 化 微 生物 相 当于 3 ． 1 mL游 离 菌 液 所 含微 生物 量 。所 以在 游 离 微 生 物 的动 力 学 实 验 中应 当 加 入 7 ． 1 3 mL 2 ． 3 g3 ． 1 mI ／ g 菌液代替 固定化 微生 物 ，其他 条件 不变 。 t ／ d 图 5剩余原油质量浓度 P 随时 间 t 的变化关系 F i g ． 5 Re l a t i o n s h i p o f r e s i d u a l o i l d e g r a d a t i o n { p c h a n g e s wi t h t i me t P n 5 0 0 0 mg ／ I ；pH7； 一 3 4 C ； 一6 0 g ／ 1 1 Fr e e mi c r o o r g a n i s m ； 2 I mmo b i l i z e d mi c r o o r g a n i s m 第 5 期 响应 面法优 化固定化微生物降解石油污染物 8 8 1 由 图 5可知 ，固定化 微 生物 和游离 生物 等量 时 ， 固定化微生物具有更高生物活性，其对原油的降解 效果优于游离微生物。原 因可能是，微生物被载体 材料吸附后 ，其在载体材料表 面具有较 高的微生物 密 度 ；其次 秸秆 载 体 材 料 的 N、P及 有 机 质 含 量 较 高 ，可在降解过程中给吸附在其表面的微生物提供 足够的营养物质，保证降解过程持续、稳定 、高效 地进行 ，故 固定化 的微生物具有更 高 的生物 活性， 在 相 同的 时间里 对原 油 的降解 效果 更优 。 由 固定 化微 生 物 和游 离 微 生 物 随 时 间 的变 化 关 系 ，采用 常见 的 一级 降解 动力学 模 型拟合 实验 数据 ， 得 到 固定 化微 生 物降解 动力 学方 程如 式 3 所 示 ，游 离微 生 物降解 动力 学方 程 如式 4 所 示 。 l n p一一 0 ． 1 3 0 8 t 8 ． 6 5 0 2 R 一 0 ． 9 9 6 6 3 l n p一一 0 ． 0 3 5 7 t 8 ． 5 3 1 2 R 一 0 ． 9 8 5 3 4 由式 3 、 4 可知 ，一 级 动力 学 模 型 对 实 验数 据具有较好 的拟合效果 ，而且 固定化微生物的降解 速率是游离微生物降解速率的 3 ． 6 7倍。以 l n p为纵 坐 标 ，时 间 为横 坐标 作 图 ，见 图 6 。 t | d 图 6 固定化微生物和游离微 生物 一级 动力学方程拟合 曲线 Fi g ．6 Fi r s t o r de r - ki ne t i c e qu at i o n c u r v e s o f i m m o b i l i z e d a n d f r e e m i c r o o r g an i s m s 1 Fr e e mi c r o o r g a n i s m ； 2 I mm o b i l i z e d mi c r o o r g a n i s m 当固定 化微 生物 和 游 离 微 生 物 处 于相 同 的环 境 下 ，并且 保证 二 者 等生 物量 时 ，固定 化 微 生 物 对 原 油降解速率 明显快 于游离微生物的降解速率 ，固定 化 微生 物对 石 油污染 物 的降解 具 有更 强 的生物 活性 、 更 好 的降解 效果 。速 率方 程 中生 物 降 解 速 率 与底 物 浓 度成 正 比关 系 ，即在 一 定 浓 度 范 围 内 ，提 高底 物 浓度 ，可加快微生物降解原油的速率。 3 结 论 1 将响应 面法应用于 固定化微生物降解原油 的实 验条 件 的优 化 。结 果 表 明 ，单 因 素对 原 油 降解 率的影响从 大到小的顺序为温度、p H 值、原油 初 始质量浓度、生物接种量 ；p H 值 和原油初始质 量 浓度、原油初始质量浓度和温度的交互影响对原 油 降解率影响较显著 。响应面分析得 到的最佳降解条 件为 p H 值 7 ． 0 、原油初始质量浓度 5 0 0 0 mg ／ L、温 度 3 4 ℃ 、生 物 接 种量 4 6 g ／ L时 ，此 时 原 油 降解 率 最 高 达 6 8 ． 3 。 2 固定 化微 生 物 较 游 离 微 生 物 对 原 油具 有 更 好 的降解效 果 ，在 最 佳 降 解条 件 下 ，固定 化 微生 物 和游离微生物降解过程符合一级动力学 ，前者 的降 解速率是后者 的 3 ． 6 7倍。 参 考 文 献 [ 1 ]Z HA NG X i u x i a ，WU We i l i n ，Z HANG Yu n b o ，e t a 1 ． S c r e e n i n g o f e f f i c i e n t h y d r o c a r b o n d e g r a d i n g s t r a i n s a n d s t u dy on i nf l u e nc e f a c t or s o f de g r a d a t i on of r e f i ne r y oi l y s l u d g e [ J ] ．I n d u s t r y E n g i n e e r i n g C h e mi s t r y R e s e a r c h ， 2 0 07，4 6 2689 1 0 8 9l 7 ． E 2 ]赵月春 ，付蓉 ，莫 测辉 ，等 ．固定化反胶团漆酶及其在 修复土壤 D D T污染 中的应用 [ J ] ．生态 环境 ，2 0 0 8 ，1 7 260 6 61 0 ． ZHAO Yu e c hu n，FU Ron g，M O Ce hu i ， e t a 1 ． I mmo b i l i z a t i o n o f l a c c a s e i n r e v e r s e mi c e l l e s a n d i t s u s e i n r