1、光合细菌的优化培养和生长动力学 摘要 :对光合细菌 (PSB)培养的最适温度、光照、 pH、溶解氧等条件进行了较系统的研究 .通过正交试验 ,得出 PSB生长的 最适条件为光照度 3000 lx、微好氧、 30 、 pH 7.0.在此基础上 ,建立了 PSB 在模拟味精废水条件下以乙酸钠为底物的生长 动力学模型 ,其参数为 :饱和常数 Ks=0.20-0.24 gL -1,最大比生长速率 Lmax=0.038-0.044 h-1,试验表明该模型能够较 好地描述 PSB 的生长情况 . 关键词 :光合细菌 ;正交试验 ;优化培养 ;动力学模型 Optimal cultivation and gr
2、owth kinetics of photosynthetic bacteria Abstract: This paper gives a detail study on the optimal growth conditions of temperature, illumination, pH and dissolved oxygen for photosynthetic bacteria. With the orthogonal experiment, the optimal culture conditions for the growth of photosynthetic bacte
3、ria were determined: illumination intensity 3000 lx, faintly aerobic, 30, pH 7.0. Under the optimal cultivation and the simulated monosodium-glutmate wastewater conditions, a kinetics model on the growth of photosynthetic bacteria in the substrate of CH3COONa was set up. The parameters in the model
4、are as follows: the saturation constantKs0. 20-0.24 gL -1and the maximum specific growth rateLmax0.038-0.044 h-1. The experiment results showed that this model could describe the growth data of PSB very well. Key words: photosynthetic bacteria; orthogonal experiment; optimal cultivation; kinetics mo
5、del 光合细菌 (photosynthetic bacteria,简称 PSB)是自然界中广泛存在 ,比较古老的细菌类群 ,是一大类能 进行光合作用的原核生物的总称 1.近年来 ,随着人们对 PSB 形态、结构、生理生化以及生态等特性研究 和认识的不断深入 ,发现 PSB,特别是其中的红螺菌科能利用多种硫化物或有机物作为其光合作用的供氢 体和碳源 ,在厌氧光照、好氧光照、甚至好氧黑暗环境中都能很好地增殖 ,且能耐受很高盐度和浓度的有机 物 ,具有很强的分解、去除有机物的能力 ,显示其在高浓度、高盐度有机废水处理中的独特优势和广阔应用 前 景 ,成为废水处理技术研究的一个新方向 2.同时 ,因
6、其菌体富含蛋白质和胡萝卜素 ,可作为单细胞蛋白 应用于种植业、养畜业和渔业以及作为各种食用色素 3-5.PSB 的上述特点 ,吸引着人们对其进行发掘、研 究和商品化生产 .研究 PSB 的优化培养条件和生长动力学 ,对其规模化生产和资源化开发利用以及应用 于废水处理的光合生物反应系统的设计具有重要意义 . 1 材料与方法 1.1 菌种来源 菌种为本课题组从海水、污泥、池塘水、厌氧生物反应器中分离获得并培养保存的 PSB.其颜色深红 , 有微量红色沉淀 ,D(660 nm)1.8,活菌数超过 11010 个 mL -1,菌液 pH 为 8.6,经鉴定为荚膜红假单胞 福建农林大学学报 (自然科学版
7、 )第 32 卷第 4期 Journal of Fujian Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition) 2003年 12 月菌 (Rhodopseudomonas capsulata). 1.2 培养基 优化培养试验采用 RCVBN 扩大培养基 6.其组成为 :3.0 g CH3COONa、 1.0 g (NH4)2SO4、 0.2 g MgSO4、 1.0 g NaCl、 0.3 g KH2PO4、 0.5 g K2HPO4、 0.05 g CaCl2、 0.1 g 酵母膏、 1 mL微量元素、 1000 mL
8、 蒸 馏水 . 生长动力学试验中以 CH3COONa 为生长限制性底物 ,考虑到 PSB 处理味精废水时所处的环境 ,培养 基的 SO2-4质量浓度控制在 2%-3%,pH控制在 4.5-6.0,其他组分的含量根据 CH3COONa底物的含量 按比例调整 . 微量元素溶液为改良的 Imhoff 和 Truper 生长因子溶液 .其组成为 :2 g EDTA-2Na、 0.2 g FeSO4 7H2O、 0.1 g MnCl24H2O 、 0.1 g H3BO3、 0.1 g CoCl26H2O 、 0.1 g ZnCl2、 0.02 g Na2MoO42H2O 、 0.02 mg NiCl26
9、H2O 、 0.01 g CuCl22H2O 、 1000 mL 蒸馏水 . 1.3 培养方法 在 8 个 CSTR 光合培养器中进行分批培养 ,培养器体积为 50 L.培养器光照根据强度不同的需要分 别由 3只 25、 40、 60、 100 W 白炽灯泡组合提供 .培养器的底部设有穿孔曝气管 ,根据溶解氧含量间歇开 启 .培养器内设有温控器 ,并配 以人工搅拌 . 1.4 测定方法 菌体干重 :离心后采用恒重法测定 ;菌体浊度采用 VIS-7220 型分光光度计测 D(660 nm);pH 采用瑞 士 Delta 320型酸度计测定 ;溶解氧采用美国 YSI-58溶解氧测定仪测定 ;光照由
10、 LGC4-2A光照计测定 ;底 物质量浓度采用重铬酸钾法测定 . 表 1 正交试验因素水平设计 Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment 水平 因素 光照度 /lx 溶解氧 mgL -1H/pH 1 0 1 25 9 2 1500 0.5-1.0 30 7 3 3000 0-0.5 35 5 表 2 PSB 生长情况的正交试验结果及分析 Table 2 Results and analysis of the orthogonal experiment on the growth of PSB 试验号 因素 光照度 /lx
11、溶解氧 mgL -1H/pHD(660 nm) 1 1 1 1 1 0.477 2 1 2 2 2 0.816 3 1 3 3 3 0.622 4 2 1 2 3 0.913 5 2 2 3 1 1.172 6 2 3 1 2 1.128 7 3 1 3 2 1.597 8 3 2 1 3 2.044 9 3 3 2 1 2.152 K11.915 2.987 3.649 3.801 K23.213 4.032 3.881 3.541 K35.793 3.902 3.391 3.579 R3.878 1.045 0.490 0.260 2 结果与分析 2.1 培养条件的优化 根据本课题组先前的
12、单因素试验 结果 7,综合对 PSB生长影响较大的 4个因素即光照度、溶解氧、 pH、温度 进行正交试验 8,每个因素选取 3 个 水平 ,选用 L9(34)正交表对各因素的 试验条件进行优化 ,具体设计见表 1. 每次试验中菌液的接种量均为 5 L, 即 10%,起始 D(660 nm)为 0.477,培 养 66 h 后测 D(660 nm),重复试验 1 次 ,结果见表 2. 表 2 表明 ,各因素对 PSB 生长影 响的主次关系为 :光照、溶解氧、温度、 pH.用直观法即可确定 PSB 的优化培 养条件为 :3、 2、 2、 2,即强光照、微好 氧、 30 、 pH 7.0. 515
13、第 4 期熊万永等 :光合细菌的优化培养和生长动力学 2.2 PSB生长动力学模型的建立 2.2.1 PSB 的分批培养结果 根据上述优化培养的结果 ,采用最适培养条件 ,即光照度 3000 lx、溶解氧 0.5 mgL -1 左右、 30 、 pH 7.0 条件下研究 PSB 生长动力学 .在 4 个相同的 PSB培养器中 ,接种量相同 (均为 10%),起始底物质量浓度不同的情况下 ,研究 PSB 的生长速率和底物的消耗速率 .另外 ,大量的试 验结果表明 ,PSB 的延滞期为 6 h,约 66 h 后进入衰亡期 .因此 ,本试验采用开始 6 h后每隔 12 h分别测定 各培养器中底物的质
14、量浓度以及 PSB 菌体干重值 ,结果见表 3. 表 3 不同时间测得各培养器中底物质量 浓度和菌体干重值 Table 3 Mass concentration of substrate and dry weight of bacteria at different time t/h 培养器 1 Q(底物 ) mgL -1 菌体干重 mgL -1 培养器 2 Q(底物 ) mgL -1 菌体干重 mgL -1 培养器 3 Q(底物 ) mgL -1 菌体干重 mgL -1 培养器 4 Q(底物 ) mgL -1 菌体干重 mgL -1 0 520 1.7 1436 1.7 3075 1.8 6
15、020 1.8 6 508 1.7 1420 1.7 3065 1.9 6000 2.0 18 490 3.2 1394 3.8 3029 4.6 5950 5.5 30 456 6.0 1336 8.4 2940 11.0 5810 15.0 42 395 11.0 1210 18.0 2730 27.5 5430 42.0 54 296 19.0 943 39.0 2220 66.0 4388 115.0 66 160 30.0 433 80.0 1065 154.0 1664 305.0 78 145 31.5 406 81.7 872 166.0 1320 322.0 2.2.2 PS
16、B 生长动力学模型中参数的估计 假设 PSB 的生长速率只受单一底物 CH3COONa 含量的影 响 ,同时不考虑生成产物对 PSB的抑制作用 ,可用 Monod方程 9作为 PSB指数生长期和平衡期的生长动 力学模型 ,即 PSB的比生长速率 L 与限制性底物质量浓度间的关系可用下式表示 : L=LmaxSKS+S(1) dX dt=LX(2) -dSdt=1YX/SdXdt(3) 式中 :L 为 PSB 的比增长速率 /h-1;Lmax 为最大比增长速率 /h-1;S 为 限制性底物的质量浓度/(g L-1);KS 为 PSB 以 CH3COONa 为底物的饱和常数 /(gL -1);dX
17、dt 为 PSB 的生长速率/(gL -1h -1); -dSdt为底物的消耗速率 /(gL -1h -1);YX/S为 PSB的得率系数 /(gg -1).根据表 3的结果 ,用龙格库塔 法求解微分方程组 ,以试验值与模型估计值总偏差之和最小为目标函数 ,在 C+程序下对 4 个培养器的试 表 4 模拟值与试验值比较结果 Table 4 Comparison of simulation and experiment t/h 预测值 Q(底物 ) mgL -1 菌体干重 mgL -1 试验值 Q(底物 ) mgL -1 菌体干重 mgL -1 0 4022 1.9 4022 1.9 6 401
18、5 2.0 4015 2.0 18 3976 5.0 3982 5.1 30 3880 12.3 3864 13.4 42 3642 30.4 3606 33.0 54 3060 74.6 2892 78.6 66 1685 179.1 1488 193.0 78 1210 206.0 验结果估计的参数值分别为 :Lmax=0.038、 0.038、 0.040、 0.0440 h-1,KS=0.22、 0.20、 0.23、 0.24 gL -1,YX/S=0.082、 0.080、 0.076、 0.070 gg -1,目标函数值分别为 0.000208、 0.001300、 0.0009
19、00、 0.000250. 2.3 模拟值与试验值的比较 起始底物质量浓度为 4022 mgL -1 在上述条件下培养 ,不同时间测得的剩余 底物质量浓度和菌体干重 ,用上述模型对 试验结果进行预测 ,结果见表 4.模拟值与 试验值比较的相对误差小于 5%.表明模 516 福建农林大学学 报 (自然科学版 )第 32 卷型能较好地描述强光照、微氧条件下以 CH3COONa为底物时 PSB 的生长规律 . 3 结论 (1)温度、光照度、 pH 和溶解氧等因素会影响 PSB 的生长 ,其中光照的强弱影响最大 ,溶解氧影响次 之 ,pH 影响最小 .试验得出 PSB 生长的适宜条件为 :强光照、微好
20、氧、温度 30 、 pH 7.0. (2)强光照、微好氧条件下 ,PSB 生长动力学模型可用 Monod 方程来模拟 ,试验测得模型中饱和常数 KS=0.20-0.24 gL -1,最大比生长速率 Lmax=0.038-0.044 h-1.模型能够较好地描述 PSB 的生长情况 . 参考文献 : 1史家梁 ,翁稣颖 ,徐亚同 ,等 .光合细菌在废水处理中的应用及菌体的综合利用 J.微生物学通报 ,1981,4(8):186- 188. 2俞吉安 ,李 宝 ,张承康 .应用光合细菌处理高浓度有机废水的新技术 J.环境科学 ,1987,8(3):47-52. 3吴小平 ,郑耀通 ,曹榕彬 ,等 .
21、大豆田间施用光合细菌的效果 J.福建农林大学学报 (自然科学版 ),2003,32(1):117- 119. 4吴小平 .光合细菌在烟草上的应用 J.福建农业大学学报 ,1999,28(4):471-473. 5郑耀通 ,胡开辉 ,高树芳 ,等 .高效净化水产养殖水域紫色非硫光合细菌的分离和筛选 J.福建农业大学学报 ,1998,27 (3):257-260. 6朱章玉 ,俞吉安 ,林志新 ,等 .光合细菌的研究及其应用 M.上海 :上海交通大学出版社 ,1991.15-21. 7邱宏端 ,郭养浩 ,吴陵 .光合细菌的分离与生长特性初探 J.福州大学学报 (自然科学版 ),1999,27(2):116-120. 8栾军 .现代试验设计优化方法 M.上海 :上海交通大学出版社 ,1995.54-58. 9戚以政 ,汪叔雄 .反应动力学与反应器 (第 2版 )M.北京 :化学工业出版社 ,1999.130-137. (责任编辑 :施晓棠 ) 517 第 4 期熊万永等 :光合细菌的优化培养和生长动力学
