孙祝秋，杨百忍，丁 成

（1. 江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；2. 盐城工学院 环境科学与工程学院，江苏 盐城 224051）

鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+对蜡质芽孢杆菌DL-1降解邻二氯苯的复合影响

孙祝秋1，杨百忍2，丁 成2

（1. 江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；2. 盐城工学院 环境科学与工程学院，江苏 盐城 224051）

以蜡质芽孢杆菌DL-1降解邻二氯苯，研究不同浓度的鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对邻二氯苯生物降解效果的影响。通过响应面优化法获得最适加入量，并考察添加鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的生物滴滤塔中邻二氯苯废气的处理效果。实验结果表明：鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的最适加入量分别为120，4.0，2.0 mg/L；在最适加入量下培养48 h后，邻二氯苯降解菌DL-1能够保持菌体完整，培养72 h后邻二氯苯去除率可达98.3%；在鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+加入量为最适加入量、空床停留时间为60 s、进气中邻二氯苯质量浓度为1 000 mg/m3时，生物滴滤塔对邻二氯苯的去除率达到90.0%。

鼠李糖脂；铁离子；镁离子；邻二氯苯；蜡质芽孢杆菌；响应面法；生物滴滤塔

邻二氯苯在农业、工业、医药业中有着广泛的应用，是一种常见的有机氯污染物，在环境中具有污染时间长、化学性质稳定、毒性强等特点［1］，被列入美国环保局（EPA）优先控制污染物、有毒污染物名单和中国环境优先控制污染物黑名单［2］。邻二氯苯常用的处理方法主要分为物理催化法、化学法、生化法、微生物法及植物吸收法等［3］，其中微生物法由于其无二次污染、处理效率高等特点已被广泛关注［4-6］。

添加表面活性剂是提高不溶性有机物在水中溶解度最常用的方法，鼠李糖脂作为一种生物表面活性剂，具有毒性低、生物亲和性强等生物表面活性剂独有特点［7］。在微生物生长过程中，众多金属离子发挥着重要作用。据报道，Fe3+和Mg2+对微生物降解具有明显促进作用［8-10］。目前的相关研究主要集中于考察单因素对微生物降解有机物效果的影响，但对混合因素的共同影响以及微生物本身的变化研究较少［11-13］。

研究证明，生物滴滤塔对多种VOCs都有十分显著的去除效果。Liu等［14］在生物滴滤塔中通过固定化细菌和真菌去除H2S，去除率达到95%以上。杨百忍等［15］利用生物滴滤塔技术处理氯苯气体，氯苯去除率平均达到90%以上。因此，生物滴滤塔成为了较常见且效果好的废气处理设备。

本工作以邻二氯苯为单一碳源，研究不同浓度的鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对邻二氯苯优势降解菌（蜡质芽孢杆菌DL-1）降解邻二氯苯效果的复合影响。通过响应面法获得鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的最适加入量，并研究在最适加入量下生物滴滤塔对邻二氯苯废气的处理状况。创新点在于考察了鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对邻二氯苯降解过程的复合作用以及将对液相中邻二氯苯降解的强化方法应用到了对生物滴滤塔处理邻二氯苯废气的强化中。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

蜡质芽孢杆菌DL-1：分离自盐城工学院北校区盆栽1年芦苇根际土壤。

邻二氯苯、三氯化铁、氯化镁、石油醚及其他试剂：分析纯；鼠李糖脂：湖州紫金生物科技有限公司，糖脂含量大于等于90%。

无机盐培养基：KH2PO40.5 g，Na2HPO40.5 g，（NH4）2SO42 g，CaCl20.01 g， MnSO4·H2O 0.13 mg，ZnCl20.23 mg，CuSO4·H2O 0.03 mg，CoCl2·6H2O 0.42 mg， Na2MoO4·2H2O 0.15 mg，AlCl3·6H2O 0.05 mg，蒸馏水定容至1 000 mL，pH约为7，灭菌使用。

生物滴滤塔营养液：按文献［10］配制。

磷酸盐缓冲液：NaCl 80 g，Na2HPO412.7 g，NaH2PO43.5 g，蒸馏水1 000 mL， pH 7.2。

T6新世纪型紫外-可见分光光度计：北京普析通用仪器有限公司；WHY-2型数显恒温振荡器：上海梅香仪器有限公司；Clarus 580型气相色谱仪：PerkinElmer股份有限公司；S3400N型扫描电子显微镜：日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 菌液的培养

蜡质芽孢杆菌DL-1接种于含130 mg/L邻二氯苯的100 mL无机盐培养基中，在培养温度30 ℃、转速150 r/min的恒温振荡器中培养48 h［16］。

1.2.2 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对水中邻二氯苯生物降解的单因素影响

在50 mL含130 mg/L邻二氯苯的无机盐培养基中分别加入不同质量浓度的鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+，以10%（w）的接种量加入菌液，在培养温度30 ℃、转速150 r/min的恒温振荡器上培养48 h，取样，以4 500 r/min的转速离心5 min，测定上清液吸光度及邻二氯苯质量浓度。

1.2.3 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对水中邻二氯苯生物降解的多因素复合影响

在单因素实验的基础上，采用响应面法考察鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对水中邻二氯苯生物降解的多因素复合影响。以Design Expert软件中的Box-Behnken方案设计实验，实验条件及操作方法同1.2.2。

1.2.4 生物滴滤塔处理模拟邻二氯苯废气

生物滴滤装置示意见图1。

图1 生物滴滤装置示意

挥发槽中的邻二氯苯经鼓气挥发至空气中，并在混合缓冲槽中调整进入生物滴滤塔的模拟废气的气速及邻二氯苯质量浓度。生物滴滤塔直径为20 cm，高度为50 cm，由有机玻璃制成，分为上下两个部分，以体积为0.025 m3的聚氨酯海绵为填料。采用气液对流模式，在塔内，待处理废气向上流动，与向下流动的营养液形成对流。流到底部的营养液再被液压泵运送到塔顶形成循环，循环流速为10 L/h，营养液更新速率为 5 L/d。在营养液中按照最适浓度添加鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+。在进出口处取气样，测定邻二氯苯质量浓度，研究生物滴滤塔对邻二氯苯模拟废气的去除效果。

1.3 分析方法

细菌浓度的测定采用分光光度法：在600 nm波长下测定菌液的吸光度（OD600），以此表征细菌的相对生长情况［17］。

邻二氯苯质量浓度的测定采用气相色谱法：液相中邻二氯苯先用石油醚萃取；气相中邻二氯苯用10 μL气密微量进样针取样。气相色谱条件：石英毛细管色谱柱（30 m×0.32 mm×0.5 μm）；程序升温，初温40 ℃保持4 min，以10 ℃/min的升温速率升至终温220 ℃；进样量1 μL；汽化室温度220℃；检测器温度300 ℃；载气流量1.0 mL/min；进样0.5 min分流，分流比为60∶1［18］。

菌种形态特征的观察采用扫描电子显微镜，具体操作同文献［19］。

2 结果与讨论

2.1 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对水中邻二氯苯生物降解的单因素影响

鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+加入量对邻二氯苯去除率的影响分别见表1～3。

表1 鼠李糖脂加入量对邻二氯苯去除率的影响

表2 Fe3+加入量对邻二氯苯去除率的影响

表3 Mg2+加入量对邻二氯苯去除率的影响

由表1可见，在加入量为3 000 mg/L的鼠李糖脂作用下，邻二氯苯的去除率低于不添加鼠李糖脂的去除率，说明在高浓度的鼠李糖脂作用下，邻二氯苯降解菌的降解能力被抑制。一个原因是浓度过高时，析出的鼠李糖脂将邻二氯苯不溶颗粒包裹，使微生物无法与底物接触；另一个原因是微生物生长被抑制，活性降低造成去除率下降［20］。而其他浓度的鼠李糖脂均对邻二氯苯的去除产生促进作用，且加入量为120 mg/ L的鼠李糖脂对邻二氯苯去除率的提高最为明显。

由表2和表3可见，在加入量为5.0 mg/L的Fe3+或Mg2+作用下，邻二氯苯的去除率出现下降，说明高浓度的Fe3+或Mg2+对邻二氯苯降解都会起抑制作用。当Fe3+加入量为0.4～4.0 mg/L，或Mg2+加入量为0.4～2.0 mg/L时，邻二氯苯的去除率均随加入量的增加而增加，而4.0 mg/L Fe3+及2.0 mg/L Mg2+对降解菌的降解能力具有明显的促进作用。

2.2 鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+对水中邻二氯苯生物降解的多因素复合影响

添加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的响应面实验设计因素水平表及实验结果见表4、表5。

表4 响应面实验因素水平表

表5 响应面实验结果

经Design-Expert 8.0分析实验数据，得出邻二氯苯去除率与各因素之间的数学关系式，见式（1）。

式中，η为邻二氯苯去除率，%；A为鼠李糖脂加入量，mg/L；B为Fe3+加入量，mg/L；C为Mg2+加入量，mg/L。

对实验结果进行方差分析，邻二氯苯去除率方程的平方和、自由度、均方差和F值分别为2 723.72，9，302.64，159.47，p值小于 0.000 1，说明回归方程显著。其中二次项A2极显著、C2极显著、B2极显著；交互项AB显著，BC显著，AC不显著。失拟项为0.117 1，大于0.05，说明方程拟合良好，同时R2值为0.995 1，也说明邻二氯苯去除率方程能反映响应值变化。该模型与实际结果拟合较好，可以利用其进行邻二氯苯去除率的预测。

采用该模型进行综合分析，获得鼠李糖脂、Fe3+和Mg2+的最适加入量分别为120，4.0，2.0 mg/ L。在该最适条件下进行模拟实验，邻二氯苯去除率为91.2%，与数据模型预测值90.5%相近，证实了该模型的准确性。

2.3 最适加入量下降解菌生长及邻二氯苯去除情况

在最适加入量下的降解液OD600及邻二氯苯去除率见图2。由图2可见，在最适加入量条件下培养72 h后，不仅降解菌的生长得到了明显促进，邻二氯苯的最大去除率也达98.3%，相比于未加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+时的邻二氯苯去除率（74.4%）提高了23.9个百分点。

图2 在最适加入量下的降解液OD600（a）及邻二氯苯去除率（b）

2.4 最适加入量下生物滴滤塔对邻二氯苯废气的处理效果

最适加入量下生物滴滤塔对邻二氯苯废气的处理效果见图3。由图3可见：生物滴滤塔启动30 d后达到稳定运行；当空床停留时间（EBRT）分别为20，40，60，80 s时，邻二氯苯进气浓度分别在10 d内从0逐步上升至2 000 mg/m3，每阶段的邻二氯苯去除率从100%分别下降至65.57%，79.56%，85.46%，87.07%。由此可知，邻二氯苯去除率随着EBRT的延长而增大。原因是EBRT延长时邻二氯苯气体流量减小，生物滴滤塔系统负荷变小，生物膜所受到的冲刷力变小。邻二氯苯去除率随着邻二氯苯质量浓度的增加而减小的原因是：邻二氯苯进气浓度较低时，气体的进气负荷小，则液膜传质阻力比较小，微生物的降解能力强；随着进气浓度增加，液膜传质阻力变大，微生物对邻二氯苯的降解能力达到极限，高浓度邻二氯苯对微生物代谢活动产生抑制，使邻二氯苯去除率减小。在最适加入量下，EBRT为60 s、进气邻二氯苯质量浓度为1 000 mg/m3时，生物滴滤塔对邻二氯苯的去除率为90.0%。

图3 最适加入量下生物滴滤塔对邻二氯苯废气的处理效果

2.5 邻二氯苯降解菌的形态

培养48 h后邻二氯苯降解菌的SEM照片见图4。由图4可见：未添加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的邻二氯苯降解菌经过48 h的培养，已经发生较多的菌体破裂死亡，同时存活下来的降解菌数量较少；而最适加入量下经过48 h培养的降解菌仍能保持菌种形态，且存活率高，同时菌数量大于未加鼠李糖脂、Fe3+、Mg2+的空白样。原因是加入的鼠李糖脂会使降解菌表面失去亲水性脂多糖类物质，细胞表面疏水性变大，这样使得降解菌与邻二氯苯的亲和性加强［13］，另外鼠李糖脂也提高了邻二氯苯在水中的溶解性，使菌体与邻二氯苯之间接触更加充分；同时微量Fe3+及Mg2+的加入会使降解菌活性变大，生长能力增强。

图4 邻二氯苯降解菌的SEM照片

3 结论

a）适当浓度的鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+对邻二氯苯的生物降解可起较大促进作用，最适加入量分别为120，4.0，2.0 mg/L。

b）在鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的最适加入量下，邻二氯苯降解菌DL-1的生长状况良好，邻二氯苯去除率有一定的提高。经过72 h培养，邻二氯苯的最大去除率为98.3%，比未添加鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+时提高了23.9个百分点。通过扫描电镜观察，菌体能够较好地维持基本形态，未发生破裂死亡。

c）在鼠李糖脂、Fe3+及Mg2+的最适加入量下，生物滴滤塔对邻二氯苯的去除率随着EBRT的延长而增大，随邻二氯苯质量浓度的增加而减小。当EBRT为60 s、进气邻二氯苯质量浓度为1 000 mg/ m3时，邻二氯苯去除率达到90.0%。

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（编辑 叶晶菁）

Composite effects of rhamnolipid，Fe3+and Mg2+on degradation of o-dichlorobenzene by Bacillus cereus strain DL-1

Sun Zhuqiu1，Yang Bairen2，Ding Cheng2
（1. School of Environmental and Safety Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2. School of Environmental Science and Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China）

o-Dichlorobenzeneas was degraded by a strain of Bacillus cereus DL-1. The effects of rhamnolipid，Fe3+and Mg2+with different concentration on the bio-degradation were studied. Their optimum conditions were obtained by using response surface optimization method，and the treatment effect of o-dichlorobenzene-containing waste gas in a biotrickling fi lter with rhamnolipid，Fe3+and Mg2+addition were investigated. The experimental results show that：The optimum dosage of rhamnolipid，Fe3+，and Mg2+is 120 ，4.0，2.0 mg/L respectively；Under the optimum dosages，the Bacillus cereus DL-1 strain can keep intact after cultured for 48 h，and the o-dichlorobenzene removal rate is 98.3% after cultured for 72 h；When rhamnolipid，Fe3+，and Mg2+are added with the optimum dosage，the empty bed residence time is 60 s and the mass concentration of o-dichlorobenzene in the biotrickling fi lter inlet is 1 000 mg/m3，the o-dichlorobenzene removal rate is 90.0%.

rhamnolipid；Fe3+；Mg2+；o-dichlorobenzene；Bacillus cereus；response surface method；biotrickling fi lter

X511

A

1006-1878（2017）01-0088-06

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.01.016

2015 - 10 - 15；

2016 - 04 - 07。

孙祝秋（1991—），男，江苏省盐城市人，硕士生，电话 18252585823，电邮 1530131300@qq.com。联系人：杨百忍，电话 18912506771，电邮 ybairen@163.com。

江苏省环保科研项目（2015007，2014018）。