全 文 ：第 6 卷第 6 期
1 99 8年1 2月　 　　
环境科学进展
ADVANCES IN ENV IRONMENTAL SCIENCE
　　 　Vol.6 , No.6
Dec., 　19 98
斜生栅藻降解苯酚的动力学研究
闫　海　弓爱君　雷志芳
(中国科学院生态环境研究中心 ,北京 100085)
摘　要
研究结果表明 ,斜生栅藻在驯化 10d后具备降解苯酚的能力 , 在 200mg/ L 初始浓度下 ,
5d时间内苯酚被全部降解 ,日平均降解速率达 40mg/ L 。在 400mg/ L初始浓度下 , 6d时间内
日平均降解速率为 7.5mg/ L 。在高初始浓度的苯酚不仅明显抑制了斜生栅藻的生长 , 而且
抑制了斜生栅藻的降解活性 ,导致降解速度下降。用最近提出的生物降解二级反应动力学方
程拟合上述降解过程 ,在苯酚初始浓度分别为 200mg/ L 和 400mg/ L 下 ,计算值与实测值之
间的标准偏差分别为 6.9mg/ L 和 4.4mg/ L 。
关键词:斜生栅藻　苯酚　生物降解动力学
一 、概　论
酚类化合物是重要的化工原料 ,苯酚作为中间体被广泛应于酚醛树脂 、杀虫剂 、染料 、
农药和医药的生产。由于苯酚含有氧原子 ,易溶于水 ,从而增加了其在环境中的迁移能
力。美国环保局和中国环保局依据有毒有机化合物的毒性 、在天然水体中出现的概率和
生物的可降解性都将苯酚列入在优先控制的污染物名单中[ 1] 。苯酚具有使蛋白质变性
的作用 ,对皮肤粘膜有腐蚀性 ,此外 ,它还可以作用于中枢神经而引起痉挛 。据美国环保
局制定的标准 ,酚类在 2.5mg/L 浓度下就会对水生生物产生慢性毒性 , 0.3mg/ L 是保证
河水不产生刺激性味道的极限浓度 ,生活供水并防止鱼肉污染的安全浓度为 1μg/L[ 2] 。
单细胞藻类作为最简单的光合作用有机体 ,几乎从生命诞生时代起就在生物圈中起
着为大气和水体增氧的作用。据研究地球上大约 90%释放的氧是由藻类完成的 ,这为随
之而来的动物和人类的起源和发展作出了极其重要的贡献[ 3] 。随着科学技术的发展 ,藻
类在环境科学领域的应用日益增多 ,首先单细胞藻类具有很强的光合作用能力 ,其光合作
用效率是一般高等植物的 5倍 ,这在减少引起全球气候变化的温室气体二氧化碳和增加
大气中的氧气具有重要意义[ 4] 。在水质评价方面 ,依据不同藻种在不同污染程度的水域
中所表现出的不同敏感性 ,可以通过调查和计算藻种生物多样性指数来对水质进行评价 。
为研究某些特定的污染物 ,藻类是一种非常好的有机活体生物材料 ,美国环保局和中国环
保局都已制定出了有毒化学品藻类生物测试的标准实验方法。在藻类降解处理有机污染
物研究方面 , Klekner[ 5] 发现蛋白核小球藻(Chlorella Py renoidopsa)、斜生栅藻
国家自然科学基金资助项目
(Scenedesmus obliqnus)和螺旋藻(S pirulina max ima)都对酚类有很强的降解能力。小球
藻可以将 2 , 4-二甲基酚降解成甲基苯的同分异构体。2 ,4-二硝基酚在初始 190mg/L 时 ,
可很快被斜生栅藻降解。2-氯酚在初始浓度为 200mg/L 时 ,可被小球藻降解并脱氯 。
Kirk , T .S.[ 6]的研究显示 ,棕鞭藻(Ochromonas danica)对苯酚具有很强的降解能力 ,用14
C 标记的苯酚迁移转化研究表明 ,65%的总苯酚有机碳转变为二氧化碳 ,15%仍保留在培
养基中 ,其余的都被棕鞭藻转变为蛋白质 、核酸和脂类等细胞成分。苯酚的降解产物首先
是邻苯二酚 ,邻苯二酚又经苯环断裂的途径被进一步降解 。Liu Jingqi[ 7]发现单细胞绿藻
可对印染废水中的 80多种有机污染物进行降解和脱色 ,偶氮被蛋白核小球藻降解为芳香
胺。Yan Hai[ 8]的研究表明 ,蛋白核小球藻对 3种邻苯二甲酸酯类都具有很强的降解能
力 ,在实验的基础上提出了由藻生物量和生长速度共同来决定藻类降解有机污染物速度
的动力学方程。
本研究选择在自然界中普遍存在的淡水藻种斜生栅藻(Scenedesmus obliqnus),研究
其在纯培养条件下对苯酚的可降解性及降解动力学过程 ,在发展生物降解理论和有机废
水生物处理应用两方面都具有重要意义 。
二 、实验材料与研究方法
1.实验材料
试剂及藻种　苯酚 ,分析纯 ,北京化工厂生产 。斜生栅藻(Scenedesmus obliqnus)购自
中国科学院武汉水生生物研究所。
2.研究方法
(1)毒性实验　在进行降解实验前 ,先采用有毒化学品对藻类毒性测试的标准实验方
法 ,研究确定了苯酚抑制斜生栅藻生长的 96h半效应浓度(96h-EC50)为 341mg/L ,这为降
解实验苯酚初始浓度的确定提供了依据 。降解实验所用的斜生栅藻种都经过培养基中初
始 300mg/L 苯酚存在下 10d以上的驯化 。
(2)培养基　采用水生 4号培养基[ 9] ,初始 pH 值调为 7.0 ,初始实验藻接种液的光密
度(OD650nm)为 0.012。苯酚初始浓度为 200mg/ L 和 400mg/L ,分别低于和高于 96h-
EC50 。
(3)实验条件　实验用器皿和培养基都经过高温灭菌消毒 ,实验前又在洁净工作台内
经过了 30min的紫外线照射灭菌 。实验容器是 100ml三角瓶 ,培养量为 25m l ,平行样 3
个。实验温度 24℃,光照强度 4000Lux 左右 ,12h光照黑暗循环 ,每天摇瓶振荡 2次 ,实
验重复 3次。
(4)藻生物量和苯酚浓度检测　实验前用水生 4 号培养基分别配制了在实验浓度范
围内的 7组不同浓度的苯酚 ,经液相色谱测定 ,通过峰高和苯酚浓度之间的线性回归 ,得
到了利用峰高计算苯酚浓度的标准方程。实验开始后 ,每天定时取样测定藻液光密度
(OD650nm)以示藻生物量 。实验中将藻液用 0.45μ的滤膜过渡后 ,直接用液相色谱测定苯
酚浓度 , 检测条件是;C18 柱 , 75%甲醇 -水流动相 ,流速 0.8ml/min , 紫外检测波长
270nm ,进样量 50ul。
(5)对照实验　为增加实验数据的可信性 ,对照实验采用水生 4号培养基在无菌条件
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下配制成 30mg/L 的苯酚 ,放入人工气候箱中保持与藻类降解实验完全相同的条件 , 10d
后取样测定苯酚的浓度 ,看是否会因非藻类降解因素导致苯酚浓度产生较大的变化 。结
果表明在 10d时间内 ,苯酚浓度仅减少了不足 5%。因此可以认为在降解实验中 ,苯酚浓
度的减少主要是藻类降解作用的结果。
三 、结果与讨论
1.计算苯酚浓度的标准方程
通过液相色谱测定(表 1),峰高(x)与苯酚浓度(y)的标准方程可以表达为:
y(mg/L)=18.80+25.08 x 　　　r=0.998
在降解实验中 ,通过上述方程 ,利用实测的峰高计算苯酚的浓度 。
表 1　苯酚浓度与峰高之间的关系
苯酚浓度(mg/ L) 60 120 180 240 300 360 420
峰　高(cm) 2.10 3.75 5.90 9.20 11.20 13.60 16.00
2.降解实验结果
表2显示 ,经过 6d的实验 ,发现斜生栅藻对苯酚具有很强的降解能力 。在苯酚初始
浓度为 200mg/L 时 ,实验进行到第 5d苯酚就已经全部被降解 ,5d 降解率为 100%,日平
均降解速率达到 40.0mg/L。在苯酚初始浓度为 400mg/L 下 ,斜生栅藻对苯酚也表现出
了一定的降解能力 , 6d时间内的降解率为 11.3%,日平均降解速率为 7.5mg/L。一般认
为生物降解发生在藻细胞内部 ,藻富集有机污染物的量 、藻生物量和反应藻类降解活性的
生长速度是决定藻类降解速度快慢的主要因素 。当藻类开始接触有机污染物时 ,首先表
现为富集 ,富集量的大小由有机污染物的疏水性和辛醇-水分配系数等化学性质决定 。苯
酚因含有氧原子 ,极易溶于水 ,其水中溶解度高达 93g/ L ,因此其不易进入藻细胞 ,这样就
导致了苯酚在高低 2种不同初始浓度下 ,藻富集量的差异缩小 。另外 ,在高初始浓度下 ,
斜生栅藻的生长受到了更强的毒性抑制 ,藻生物量和反映藻类降解活性的生长速度都明
显较低初始浓度时低 ,因此导致降解苯酚的速度变慢。
表 2　斜生栅藻降解苯酚的实验结果
　　时间(d) 0 1 2 3 4 5 6
苯酚浓度(mg/ L)
藻液光密度(OD 650nm)
苯酚浓度(mg/ L)
藻液光密度(OD 650nm)
200.0
0.012
400.0
0.012
195.8
0.035
398.9
0.025
181.4
0.108
395.6
0.040
141.3
0.210
385.7
0.067
50.7
0.308
371.4
0.127
0.0
0.395
367.7
0.150
0.0
0.490
355.0
0.203
38　　　　　　　　　闫　海等:斜生栅藻降解苯酚的动力学研究　　　　　　　　6卷
图 1　初始 200mg/ L苯酚降解实验中的浓度
变化过程及动力学方程拟合计算结果
图 2　初始 400mg/ L 苯酚降解实验中的浓度
变化过程及动力学方程拟合计算结果
　　3.降解动力学计算
藻类是通过吸收无机营养盐类进行光合作用来合成细胞物质的 ,光合作用在藻类的
新陈代谢中占据中心位置 ,即光能无机营养 。但一些含光合色素的藻类除具备了光能无
机营养外 ,还具备了降解利用有机物的兼性化能有机营养的功能[ 10] 。Yan Hai[ 8] 等通过
蛋核小球藻对邻苯二甲酸 3种酯类降解实验基础上 ,提出了由藻类生物量(N)和反映藻
类降解有机污染物活性的生长速度(r)决定藻类降解有机污染物速度(dC/dt)的二级反
应降解动力学方程(-dC/dt =KNr)。用此动力学方程 ,将藻生物量用藻液光密度(OD)
来表示 ,藻生长速度用(dOD/dt)代入 ,两边积分后可得到有机污染物浓度和藻生物量之
间关系的如下方程:
　　　　C=-0.5KOD2+Co (1)
在初始 200mg/L 苯酚浓度下 ,用实测的 OD平方和实测的苯酚浓度之间进行一元线
性回归 ,可得到如下方程:
　　　　C=-1.54×103 OD2+200.7 (2)
采用同样方法 ,在苯酚初始浓度为 400mg/L 时 ,得到下列方程;
　　　　C=-1.10×103 OD2+395.7 (3)
利用方程(1)估计参数 K 和Co 的 95%置信区间结果见表 3。
表 3　参数 K 和 Co 的 9%5 置信区间估计
有机污染物 初始浓度(mg/ L) K(103) 95%置信区间(103) Co 95%置信区间 相关系数
苯酚
苯酚
200　3.08
400　2.20
2.57
1.48
3.59
2.92
200.7
395.7
188.8　212.6
388.9　402.5
-0.997
-0.962
在苯酚初始浓度 200mg/L 下 ,选择第 3 、4和 5d等时间间隔的实测藻液光密度(OD)
进行计算 ,得到饱和光密度(ODc)为 0.528 ,相对自然生长率(r)为 1.050。这样可拟合出
藻液光密度增长的 Logisitic方程[ 11]如下:
　　　　OD=0.528/(1+(0.528/0.012-1)e-1.050t) (4)
用此方程计算 ,对于不同时间 OD的计算值与实测值之间的标准偏差为 2.28×
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10-2 。
在苯酚初始浓度为 400mg/L 下 ,选择第 2 、4和 6d等时间间隔的实测藻液光密度
(OD)进行计算 ,得到饱和光密度(ODc)为 0.232 ,相对自然生长率(r)为 0.809。这样可拟
合出藻液光密度增长的 Logisitic方程为;
　　　　OD=0.232/(1+(0.232/0.012-1)e-0.809t) (5)
对于不同时间 ,此方程的计算值与实测值之间的标准偏差为 1.62×10-2 。
将(4)、(5)分别带入(2)、(3)后 ,可分别得到苯酚高低两种不同初始浓度下随时间变
化的如下方程(图 1 ,图 2)。
在初始 200mg/L 下:
　C=1.54×103(0.528/(1+(0.528/0.012-1)e-1.050t))2+200.7 (6)
在初始 400mg/L 下:
　C=1.10×103(0.232/(1+(0.232/0.012-1)e-0.809t))2+395.7 (7)
运用(6)、(7)式分别按不同时间进行计算 ,在苯酚高低两种初始浓度下 ,计算值和实
测值之间的标准偏差分别为 6.9mg/L 和 4.4mg/ L ,说明此动力学方程较好地反映了斜生
栅藻在苯酚不同初始浓度下对苯酚降解动力学过程。
四 、结　论
1.斜生栅藻具备降解苯酚的能力 ,在苯酚初始浓度为 200mg/L 下 , 5d时间内被全部
降解 ,日平均降解速率达 40.0mg/ L。在初始浓度为 400mg/L 下 , 6d时间内日平均降解
速率为 7.5mg/L ,降解率为 11.3%。在苯酚高初始浓度下 ,不仅明显抑制了斜生栅藻的
生长 ,而且抑制了藻的降解活性 ,从而导致斜生栅藻对苯酚的降解速度下降 。
2.运用新提出的二级降解反应动力学方程拟合斜生栅藻对苯酚的降解过程 ,在初始
浓度分别为 200mg/L 和 400mg/L 下 ,计算值和实测值之间的标准偏差分别为 6.9mg/ L
和 4.4mg/L ,说明此动力学方程较好地反映了斜生栅藻在苯酚不同初始浓度下的降解动
力过程。
参　考　文　献
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40　　　　　　　　　闫　海等:斜生栅藻降解苯酚的动力学研究　　　　　　　　6卷
STUDY ON KINETICS OF PHENOL BIODEGRADATION
BY SCENEDESMUS OBLIQNUS
Yan Hai　Gong Aijun　Lei Zhifang
(Research center for Eco-environmental Sciences , Chinese Academy of S ciences , Beijing , 100085)
ABSTRACT
It is found that Scenedesmus obliqnus has an ability to biodegrade phenol after 10 day s
acclimation of phenol.Phenol could be completely biodeg raded by S .obliqnus at inital 200
mg/ L and average biodegradat ion rate per day w as 40.0mg/L in 5 days.However average
phenol biodeg radation rate per day was decrease to 7.5 mg/L at initial 400mg/L in 6 day s.
Both S .obliqnus grow th and biodeg radation activity were apparently inhibi ted by hingher
initial concentration of phenol , which might lead to the decrease of the biodegradation rate.
Using a tw o-order biodeg radation kinet ic equation recently suggested to fit the biodeg radation
processes , the standard deviations betw een calculated and observed values w ere 6.9mg/L and
4.4mg/L at ini tal 200mg/L and 400mg/L phenol , respectively .
Keywords:Scenedesmus obliqnus;phenol;biodeg radation kinetics
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