降解PVA混合菌系的环境影响因素及其降解机理的研究

论文摘要

聚乙烯醇（PVA）具有良好的膜强度、粘附性、耐磨性、化学稳定性，被广泛应用于纺织、化工、造纸等多个领域。但其可生化性差，生物降解周期长，而全世界每年有大量的PVA废水产生，我国纺织业每年在经纱上浆过程中，在上浆剂中使用的PVA就有3万多吨，这就造成了严重的环境污染，极大的危害了我们的生态环境。在PVA废水的处理方法中，生物法因其处理效果好且无二次污染等优点得到了大家的广泛关注。因此，研究PVA的生物降解对于减轻环境污染，改善生态环境具有重要意义。本课题利用前期对取自西安市国棉三厂浆纱机底部水槽处的样品（黑色块状，黑样）进行处理，筛选出的一种能较好降解PVA的混合菌系，以及对该混合菌系分离纯化得到的七个单菌。通过摇瓶发酵，考察了种龄、接种量、装液量、温度、初始pH、渗透压和光照等环境因素对混合菌系降解PVA能力的影响。结果表明，种龄为2448h，接种量为4%6%，装液量为100mL时混合菌生长较好，降解PVA速率较快；混合菌系降解PVA的最适温度为25℃30℃，最佳pH=7.0；渗透压在NaCl浓度低于1g/L时不影响混合菌系降解能力；光照对混合菌系降解PVA的能力基本无影响。对混合菌系所产PVA降解酶的酶学性质及其酶催化反应动力学进行研究。结果表明，混合菌系所产PVA降解酶主要为胞外酶；在降解未完全时，该PVA降解酶酶活随着PVA降解效率的提高而降低，在降解完全后，趋于一定；随着PVA浓度的增大，该PVA降解酶酶活逐渐增大；该PVA降解酶的米氏常数Km=2.06×10-3mol/L，最大反应速率vmax=19.5单位/min。对混合菌系降解PVA的降解机理进行研究。结果表明，该混合菌系可以将发酵培养基中初始平均分子量为51260Da的PVA基本完全降解，且在降解过程中有羧酸和甲基酮类物质生成。从混合体系中分离出的7种单菌，均不能单独彻底降解PVA。混合菌系对PVA的降解是一个相互协同的作用，在降解初期，一些能够利用高聚合度PVA的厌氧菌或兼性厌氧菌先优势生长，将大分子量的PVA降解为稍小分子量的聚合物，随着培养体系中PVA平均聚合度的下降，能够利用较低聚合度PVA进行生长的好氧菌开始占据优势，进一步将较小分子量的PVA降解。将该混合菌系应用于模拟废水中，考察混菌对废水的处理效果。结果表明，在发酵培养基中添加染料后，混合菌系降解PVA不受影响，降解效率达99%左右，COD去除率达90%左右，但是混菌对于所添加染料的去除率很低，不到20%；在发酵培养基中添加淀粉会影响混合菌对于PVA的降解，降解效率下降至92.83%，COD去除率不到80%。上浆棉织物的退浆实验结果表明，PVA降解酶退浆效果最好，优于热碱退浆和热水退浆，退浆率达95.08%；PVA降解酶退浆可以在退浆过程中实现棉织物上PVA的初次降解，降低退浆液的COD，增大其可生化性；还可减少热耗和水耗，降低棉织物的损伤。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 聚乙烯醇
• 1.1.1 聚乙烯醇性质
• 1.1.2 聚乙烯醇的生产及应用
• 1.2 PVA 废水的处理
• 1.3 生物降解 PVA 的研究现状
• 1.3.1 降解 PVA 的微生物
• 1.3.2 PVA 降解酶
• 1.3.3 生物降解 PVA 的机理
• 1.3.4 生物降解 PVA 的影响因素
• 1.3.5 生物降解 PVA 的实际应用
• 1.4 本项目的研究意义及内容
• 1.4.1 本项目的研究意义
• 1.4.2 本项目的研究内容
• 2 实验材料及仪器
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验试剂及材料
• 2.3.1 显色剂的制备
• 2.3.2 磷酸钾缓冲液的制备
• 2.3.3 粗酶液的制备
• 2.3.4 D、E 试剂
• 2.3.5 渗透剂 JFC 的制备
• 2.3.6 上浆棉织物的准备
• 3 环境因素对混合菌降解 PVA 能力的影响
• 3.1 菌种培养
• 3.1.1 菌种来源
• 3.1.2 培养基
• 3.1.3 培养方法
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 菌体生长的测定
• 3.2.2 PVA 含量和降解效率的测定
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 混合菌生长曲线和降解 PVA 曲线
• 3.3.2 种龄对 PVA 降解能力的影响
• 3.3.3 接种量对 PVA 降解能力的影响
• 3.3.4 装液量对 PVA 降解能力的影响
• 3.3.5 温度对 PVA 降解能力的影响
• 3.3.6 初始 pH 对 PVA 降解能力的影响
• 3.3.7 渗透压对 PVA 降解能力的影响
• 3.3.8 光照对 PVA 降解能力的影响
• 4 PVA 降解酶酶催化反应动力学研究
• 4.1 菌种培养
• 4.1.1 菌种来源
• 4.1.2 培养基
• 4.1.3 培养方法
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 菌体生长的测定
• 4.2.2 PVA 含量和降解效率的测定
• 4.2.3 标准曲线的测定
• 4.2.4 酶活的测定
• 4.2.5. PVA 降解酶分布情况的测定
• 4.2.6 PVA 降解酶活性与底物浓度的关系
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 PVA 标准曲线
• 4.3.2 混合菌系所产 PVA 降解酶的酶学特性
• 4.3.3 PVA 降解酶酶活与 PVA 降解效率的关系
• 4.3.4 PVA 降解酶酶活与底物浓度的关系
• 4.3.5 PVA 降解酶酶催化反应动力学方程的建立
• 4.3.6 PVA 降解酶酶催化反应动力学方程的验证
• 4.3.7 PVA 降解酶酶催化反应动力学方程的讨论
• 5 混合菌系降解 PVA 降解机理研究
• 5.1 菌种培养
• 5.1.1 菌种来源
• 5.1.2 培养基
• 5.1.3 培养方法
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 菌体生长的测定
• 5.2.2 PVA 含量和降解效率的测定
• 5.2.3 UV-Vis 光谱分析
• 5.2.4 HPLC 分析
• 5.2.5 IR 分析
• 5.2.6 高效凝胶色谱分析
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 研究降解机理时样品参数及特征
• 5.3.2 发酵液 pH 与降解效率的关系
• 5.3.3 UV-Vis 光谱分析
• 5.3.4 HPLC 分析
• 5.3.5 甲基酮验证实验
• 5.3.6 IR 分析
• 5.3.7 高效凝胶渗透色谱分析
• 5.3.8 降解过程中菌种间相互作用
• 5.3.9 混合菌系降解 PVA 降解途径讨论
• 6 混合菌系处理模拟废水小试
• 6.1 菌种培养
• 6.1.1 菌种来源
• 6.1.2 培养基
• 6.1.3 培养方法
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 菌体生长的测定
• 6.2.2 PVA 含量和降解效率的测定
• 6.2.3 COD 的测定
• 6.2.4 BOD 的测定
• 6.2.5 染料标准曲线的测定
• 6.2.6 染料浓度的测定
• 6.2.7 棉织物的退浆
• 6.2.8 退浆率的测定
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 染料标准曲线
• 6.3.2 混合菌系对模拟 PVA 废水的降解
• 6.3.3 模拟退浆实验
• 6.3.4 混合菌系对实际 PVA 废水的处理
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究工作小结及展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的文章
• 致谢