锰过氧化物酶(MnP)是白腐菌分泌的一种能有效降解木质素及多种异生物质的过氧化物酶。首先对一色齿毛菌在初始条件下进行培养,获得其产生MnP的活性规律曲线,进而进行最佳碳源和最佳氮源的筛选及2次正交试验对一色齿毛菌产MnP的培养条件进行优化;然后对优化后的胞外酶液进行5种染料的脱色研究。结果表明,一色齿毛菌产MnP的最优组合为:果糖10 g·L-1、硝酸铵0.2 g·L-1、Mn2+2.67 mmol·L-1、pH 5.5、250 mL三角瓶70 mL装液量、150 r·min-1摇瓶培养、接种Ø=8 mm的菌片9片、在34℃下培养7天后MnP活性高达95.47 U·L-1,是初始培养条件最高酶活的5.2倍。染料脱色结果表明,一色齿毛菌对3种结构类型的5种染料都有较大程度的脱色,其中8天时对活性黑的脱色最为彻底,脱色率为98.4%;对中性红、结晶紫、活性红和刚果红的脱色率也高达72.3%~89.4%。
Manganese peroxidase(MnP) is secreted by white-rot fungi, it can degrade lignin and various xenobiotics efficiently. Cerrena unicolor was firstly cultured under initial conditions and the curve of its MnP activity was gained. Then, 5 kinds of carbon sources and 5 kinds of nitrogen sources were selected, and two orthogonal tests were conducted to optimize medium compositions and culture conditions of C. unicolor producing MnP. Optimized extracellular MnP solutions were determined to decolour 5 kinds of dyes. Results showed that the most optimal culture parameters for MnP production was fructose 10 g·L-1, ammonium nitrate 0.2 g·L-1, Mn2+2.67 mmol·L-1,pH 5.5, 70 mL culture solution in 250 mL flask at 150 r·min-1 shaking condition, 9 tablets of Ø=8 mm inocula, and temperature 34℃. The highest MnP activity reached 95.47 U·L-1 after 7 d culture, which was 5.2 times than that produced at initial conditions. Decolorization test showed that optimized extracellular MnP solutions of C. unicolor had effectively decoloring ability to 5 kinds of dyes belonging to 3 kinds of group. The decolorization rate of the 5 kinds of dye all reached maximum after 8 d. On 8 days of incubation, reactive black was almost completely decolorized, the decolorization percent was as high as 98.4%, and at that time the decolorization percents to congo redr, reactive red, crystal violet, and neutral red were also as high as 72.3%-89.4%.
全 文 :第 50 卷 第 7 期
2 0 1 4 年 7 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50,No. 7
Jul.,2 0 1 4
doi:10.11707 / j.1001-7488.20140717
收稿日期: 2013 - 07 - 03; 修回日期: 2013 - 11 - 01。
基金项目: 国家自然科学基金项目(30671700)。
* 池玉杰为通讯作者。
一色齿毛菌产 MnP的条件优化及对染料的脱色*
于 存 池玉杰
(东北林业大学林学院 哈尔滨 150040)
摘 要: 锰过氧化物酶(MnP)是白腐菌分泌的一种能有效降解木质素及多种异生物质的过氧化物酶。首先对一
色齿毛菌在初始条件下进行培养,获得其产生 MnP 的活性规律曲线,进而进行最佳碳源和最佳氮源的筛选及 2 次
正交试验对一色齿毛菌产 MnP 的培养条件进行优化; 然后对优化后的胞外酶液进行 5 种染料的脱色研究。结果
表明,一色齿毛菌产 MnP 的最优组合为: 果糖 10 g·L - 1、硝酸铵 0. 2 g·L - 1、Mn2 + 2. 67 mmol·L - 1、pH 5. 5、250 mL
三角瓶 70 mL 装液量、150 r·min - 1摇瓶培养、接种 = 8 mm 的菌片 9 片、在 34 ℃下培养 7 天后 MnP 活性高达
95. 47 U·L - 1,是初始培养条件最高酶活的 5. 2 倍。染料脱色结果表明,一色齿毛菌对 3 种结构类型的 5 种染料都
有较大程度的脱色,其中 8 天时对活性黑的脱色最为彻底,脱色率为 98. 4% ; 对中性红、结晶紫、活性红和刚果红
的脱色率也高达 72. 3% ~ 89. 4%。
关键词: 一色齿毛菌; 锰过氧化物酶; 优化培养; 染料脱色; 活性黑
中图分类号: Q936 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 7488(2014)07 - 0121 - 07
Optimization of Culture Conditions of MnP Produced by Cerrena unicolor
and Its Decolorization to 5 Kinds of Dyes
Yu Cun Chi Yujie
(College of Forestry,Northeast Forestry University Harbin 150040)
Abstract: Manganese peroxidase (MnP) is secreted by white-rot fungi,it can degrade lignin and various xenobiotics
efficiently. Cerrena unicolor was firstly cultured under initial conditions and the curve of its MnP activity was gained. Then,
5 kinds of carbon sources and 5 kinds of nitrogen sources were selected,and two orthogonal tests were conducted to optimize
medium compositions and culture conditions of C. unicolor producing MnP. Optimized extracellular MnP solutions were
determined to decolour 5 kinds of dyes. Results showed that the most optimal culture parameters for MnP production was
fructose 10 g·L - 1,ammonium nitrate 0. 2 g·L - 1,Mn2 + 2. 67 mmol·L - 1,pH 5. 5,70 mL culture solution in 250 mL flask at
150 r·min - 1 shaking condition,9 tablets of = 8 mm inocula,and temperature 34 ℃ . The highest MnP activity reached
95. 47 U·L - 1 after 7 d culture,which was 5. 2 times than that produced at initial conditions. Decolorization test showed that
optimized extracellular MnP solutions of C. unicolor had effectively decoloring ability to 5 kinds of dyes belonging to 3 kinds
of group. The decolorization rate of the 5 kinds of dye all reached maximum after 8 d. On 8 days of incubation,reactive
black was almost completely decolorized, the decolorization percent was as high as 98. 4%, and at that time the
decolorization percents to congo redr,reactive red,crystal violet,and neutral red were also as high as 72. 3% - 89. 4% .
Key words: Cerrena unicolor; manganese peroxidase(MnP); optimized culture; dye decolorization; reactive black
锰过氧化物酶 (MnP,EC. 1. 11. 1. 13) 是白腐
菌分泌的一种能有效降解木质素的过氧化物酶,具
有降解各类芳香族化合物的独特能力,近年来越来
越多地被应用于纸浆生物漂白、有机污染物 (DDT、
多氯联苯、二氯苯胺等 ) 降解、染料脱色等方面
(Kirk et al.,1998;Saratale et al.,2011;Janusz et al.,
2013)。多数人工合成的染料具有致畸、致突变、致
癌的“三致”作用,是纺织工业和染料生产废水中的
主要污染物。据统计,2010 年我国染料产量 75. 6
万 t,居世界之首位,占世界总产量的 60%。而每年
有 1% ~ 10% (15% )的人工合成染料在生产或应用
过程中进入水土(Forgacs et al.,2004)。利用细菌、
林 业 科 学 50 卷
真菌和木质素降解酶进行染料的生物脱色,可克服
物理与化学法进行染料脱色的缺点,不但可以杜绝
化学漂白剂(氯和二氧化氯)使用造成的污染,而且
还可避免二次污染的发生(Modi et al.,2010)。已
有一些应用细菌和黄孢原毛平革菌 ( Phanerochaete
chrysosporium)进行偶氮等染料的脱色研究(李慧蓉
等,1999;严滨等,2008),但是应用其他白腐菌及其
MnP 进行染料脱色的研究还较少。不同白腐菌的产
酶条件有较大差异,产酶条件的优化是酶学研究和应
用的基础。不同的碳氮源及其浓度、Mn2 + 的浓度、
pH、装液量、接种量、培养方式及温度等,都会影响
MnP 的产量(Patrick et al.,2011; Dos Santos Bazanella
et al.,2013;Hariharans et al.,2013; Saravanakumar et
al.,2013)。考虑到人工合成染料的结构复杂性、白腐
菌产酶的多态性和所降解底物的多态性,研究多种白
腐菌 MnP 对染料的脱色是非常必要的,目的是筛选
优化组合以尽快使复杂成分的染料获得最大程度的
生物消解。本文首先对白腐菌一色齿毛菌 (Cerrena
unicolor) 产 MnP 的培养基组分及培养条件进行优
化,在此基础上,研究优化后的胞外 MnP 酶液对 5 种
常见染料的脱色能力,为该菌株及其分泌的 MnP 在
染料脱色过程中的应用提供基础。
1 材料与方法
1. 1 菌种与培养基
一色齿毛菌菌株 CB1 在 PDA 斜面上的菌种保
存于 4 ℃冰箱。试验时将斜面内菌种接种于 PDA
平板上,29 ℃下活化 5 天。
低氮天冬酰胺琥珀酸 ( LNAS) 培养基作为产
酶基础培养基(Kirk et al.,1978)。
1. 2 一色齿毛菌产 MnP 的条件优化
1. 2. 1 初始培养方式与 MnP 活性检测 在 250 mL
三角瓶中加入 70 mL LNAS 培养基,添加 2 g 青杨
(Populus ussuriensis) 木屑,高压灭菌后,加入 5 mL
15%除菌后的葡萄糖溶液。接入 5 个 = 8 mm 的
PDA 平板菌片,在 29 ℃下静止培养 21 天,分别在接
菌后 3,5,7,9,11,13,15,17,19,21 天,取 1 mL 培
养液测定 MnP 活力,酶活测 定 方法 同闫 洪波
(2009),每组数据设 3 个重复,然后绘制 MnP 活性
随时间变化规律的曲线。
1. 2. 2 碳源和氮源的筛选 在初始培养的基础上,
明确 MnP 活性随时间的变化规律后,首先进行碳源
和氮源的筛选。将 1. 2. 1 初始培养方式中的葡萄糖
溶液分别改为果糖、蔗糖、乳糖、可溶性淀粉,静止培
养 7 天检测 MnP 活性,从中筛选最佳碳源。固定碳
源为葡萄糖,去除 LNAS 培养基中的氮源,然后再分
别添加硝酸铵、天冬酰胺、酒石酸铵、蛋白胨、酵母粉
作为氮源,静止培养 7 天后检测 MnP 活性,从中筛
选最佳氮源。
1. 2. 3 2 次正交试验 白腐菌 MnP 的产生受包括
碳源浓度、氮源浓度、Mn2 +浓度、pH、培养温度、装液
量、接种量在内的多个影响因子的调控 (尹亮等,
2004; 杨晓宽等,2004; 董旭杰等,2004; 崔艳红
等,2012)。本研究在碳源和氮源筛选的基础上,选
择碳源浓度 A( g·L - 1 )、氮源浓度 B (mmol·L - 1 )、
Mn2 +的浓度 C(mmol·L - 1)、接种量 D( = 8 mm 的
PDA 平板菌片数)和装液量 E(mL)5 因素作为第 1
次正交试验因素,因素水平为 4 个等级 (表 1)。选
择各因素水平的原则是把参数的水平区间拉开,尽
可能使最佳区域包含在设定的水平区间内。对于碳
源和氮源浓度,主要考察不同碳氮比是否有利于产
MnP。利 用 SPASS 软 件设 计出 5 因 素 4 水 平
L16(4
5)的正交表,进行 16 组不同配方的正交试验。
在第 1 次正交试验优化条件的基础上,选取培养基
的 pH 值 F、吐温 80 加入量 G、培养温度 H、250 mL
摇瓶培养 (150 r·min - 1) 装液量 I 等 4 因素,进行 3
水平 9 组不同处理的 L9 (3
4 )第 2 次正交试验,因素
水平表见表 2。根据第 1 次正交试验配制好优化后
的培养基,进行 9 组不同的处理,其中用 1 mol·L - 1
NaOH 和 1 mol·L - 1 HCl 调节 pH 分别为 3. 5,4. 5 和
5. 5。以上每组试验都是 3 个重复静止培养 7 天后
测定酶活。
表 1 一色齿毛菌产 MnP 第 1 次正交试验因素水平设计
Tab. 1 The factors and levels of the first time orthogonal design for C. unicolor producing MnP
水平 Level
因素 Factor
A B C D E
碳源浓度
Carbon
氮源浓度
Nitrogen
Mn2 + 浓度
Mn2 +
接种数量
Inoculum
装液量
Medium
concentration /( g·L - 1 ) concentration /(mmol·L - 1 ) concentration /(mmol·L - 1 ) number volume /mL
1 10 5 2. 67 3 50
2 20 20 26. 7 5 70
3 30 35 267 7 90
4 40 50 400 9 100
221
第 7 期 于 存等: 一色齿毛菌产 MnP 的条件优化及对染料的脱色
表 2 一色齿毛菌产 MnP 第 2 次正交试验因素水平设计
Tab. 2 The factors and levels of the second time orthogonal design for C. unicolor producing MnP
水平 Level
因素 Factor
F G H I
pH 吐温 80 加入量 温度 装液量
Tween 80 volume /(mL·L - 1 ) Temperature /℃ Medium volume of shaking /mL
1 3. 5 0 25 70
2 4. 5 0. 4 29 90
3 5. 5 0. 8 34 110
1. 3 正交试验结果验证
分别以 2 次正交试验的最佳组合作为产酶培养
条件,在接入菌块 7 天后吸取 1 mL 培养液测定 MnP
活力,试验平行进行 3 次。
1. 4 优化后的一色齿毛菌胞外酶液对 5 种染料的
脱色试验
选择 3 种结构类型的 5 种染料,分别配制 50
mg·L - 1的溶液,以去离子水为对照,用紫外分光光度
计在 300 ~ 800 nm 区间扫描,得到各自最大吸收峰
处的波长值与其对应的吸光值,包括活性黑 (偶氮
类,λmax = 595)、活性红 (偶氮类,λmax = 539)、刚果
红(偶氮类,λmax = 501 )、中性红 (杂环类,λmax =
528)和结晶紫 (三苯基甲烷类,λmax = 584)。根据
1. 2 中优化后的培养条件培养一色齿毛菌 7 天,共
30 瓶,将所培养的三角瓶分成 2 大组,试验组 15 瓶
直接向培养液中分别加入除菌后终浓度为 50 mg·
L - 1的 5 种染料,对照组 15 瓶将培养液高压灭菌后
再分别加入除菌后终浓度为 50 mg·L - 1的 5 种染
料,每种染料的试验组和对照组均为 3 个重复,均摇
瓶培养脱色,在加入染料后的 0. 5 h 和 1,2,3,4,5,6,
7,8,9,10 天 分 别 吸 取 1. 5 mL 培 养 液,经
12 000 r·min - 1离心2 min 后取上清液,用紫外分光光
度计在最大吸收峰波长处测吸光值,试验组记为 A t
值,对照组记为 A0值,取 3 组数据的平均值。脱色率
( rD)的计算公式如下: rD =[(A0 - A t) /A0]× 100%。
然后绘制 5 种染料脱色率随时间的变化曲线。
2 结果与分析
2. 1 初始培养条件下一色齿毛菌产 MnP 的活性
规律曲线
在初始培养条件下,一色齿毛菌产 MnP 随时间
的变化曲线见图 1,3 组重复数据的误差线标注其
上。由图 1 可知,一色齿毛菌在接种 3 天后,就有
MnP 分泌且活性较高,5 天时呈现出下降,7 天时达
到最高为 18. 4 U·L - 1,从第 9 天开始呈现出较迅速
的下降,随后从 11 天开始一直保持在较低的水平。
由此确定后续的优化培养试验酶活检测都是截至 7
天为止。
图 1 一色齿毛菌在初始培养
条件下 MnP 活性随时间的变化
Fig. 1 The activity curve of MnP produced by
C. unicolor under initialized culture condition
2. 2 不同碳源和不同氮源对 MnP 活性的影响
不同碳源、氮源种类及其浓度对白腐菌产
MnP 的影响不尽相同(吴会广等,2008; 张玉龙
等,2011)。本研究初始培养条件下不同碳源和不
同氮源种类对 MnP 活性的影响见图 2。由图 2a 可
知,以果糖为碳源时,MnP 活性最高达到 25. 81 U·
L - 1,其次是蔗糖、葡萄糖、可溶性淀粉,乳糖最差。
由图 2b 可知,以硝酸铵为氮源时,MnP 活性最高
为 39. 27 U·L - 1,其次为天冬酰胺,最高酶活为
39. 05 U·L - 1,几乎与硝酸铵为氮源时的酶活相
同,然后为酒石酸铵、酵母粉,蛋白胨最差。由此
确定最佳碳源为果糖、最佳氮源为硝酸铵进行后
续的第 1 次正交试验。
2. 3 2 次正交试验结果
第 1 和第 2 次正交试验和方差分析结果分别见
表 3、表 4 和表 5。通过比较第 1 次正交试验 5 因素
4 个不同水平的均值 ki,得到每个因素的最大平均
值,从而 得 出 产酶 组合 培养 基的 最 优 配 方 为
A1B1C1D4E2,即果糖 10 g·L
- 1、氮源浓度 5 mmol·
L - 1即硝酸铵 0. 2 g·L - 1、Mn2 +浓度 2. 67 mmol·L - 1、
接种量 9 片、装液量 70 mL。通过极差和方差分析,
排列出 5 因素对 MnP 活性影响的主次顺序依次为
B > A > C > E > D,即氮源浓度对 MnP 活性影响最
321
林 业 科 学 50 卷
大,其次是果糖浓度、Mn2 + 浓度、装液量和接种量。
从第 1 次正交试验结果可以看出,优化的培养条件
是最低的碳源浓度、氮源浓度、Mn2 +浓度,较低的装
液量及最高的接种量,其中最低的50 mL装液量与
较低的 70 mL 装液量 MnP 活性均值的差异不是很
大。从表 3 可以看出,第 1 次正交试验最高的 MnP
活性出现在第 2 组为 54. 96 U·L - 1,是初始培养条
件最高酶活的 2. 98 倍。通过比较第 2 次正交试验
4 因素 3 个不同水平的均值 ki,得到 4 因素的最大
平均值,从而得出产酶组合培养基的最优配方为
F3G1H3 I1,即 pH5. 5、吐温 80 加入量 0、培养温度 34
℃、(150 r·min - 1) 摇瓶培养、250 mL 三角瓶 70 mL
的装液量。通过极差和方差分析,排列出 4 个因素
影响 MnP 活性的主次顺序依次为 F > I > G > H,即
pH 对产酶影响最大,其次是装液量、吐温 80 加入
量、培养温度。从第 2 次正交试验结果可以看出,优
化的培养条件是最高的 pH 和培养温度、不加入吐
温 80 和最低的摇瓶培养装液量。从表 4 可以看出,
第 2 次正交试验最高的 MnP 活性出现在第 9 组为
93. 83 U·L - 1,是初始培养条件最高酶活的 5. 1 倍。
方差分析的显著性结果表明,第 1 次和第 2 次正交
试验所选取的 9 个因素对 MnP 活性的影响均为显
著,说明这 9 个因素对 MnP 的活性大小都起到很重
要的作用。
图 2 不同碳源和不同氮源对 MnP 活性的影响
Fig. 2 Effect of different carbon and nitrogen sources on MnP activity produced by C. unicolor
表 3 第 1 次正交试验结果
Tab. 3 Results of the first time orthogonal test
试验组号
Group No.
因素 Factor
A B C D E
MnP 酶活
MnP activity /(U·L - 1 )
1 1 1 1 1 1 54. 69
2 1 2 2 2 2 54. 96
3 1 3 3 3 3 48. 66
4 1 4 4 4 4 33. 03
5 2 1 2 3 4 43. 89
6 2 2 1 4 3 51. 92
7 2 3 4 1 2 32. 97
8 2 4 3 2 1 40. 97
9 3 1 3 4 2 51. 96
10 3 2 4 3 1 43. 61
11 3 3 1 2 4 39. 25
12 3 4 2 1 3 31. 86
13 4 1 4 2 3 39. 47
14 4 2 3 1 4 29. 35
15 4 3 2 4 1 40. 05
16 4 4 1 3 2 39. 71
各因素水平均值 k1 47. 83 47. 5 46. 39 37. 22 44. 83
Mean value of k2 42. 44 44. 96 42. 69 43. 66 44. 9
each level k3 41. 67 40. 23 42. 74 43. 97 42. 98
k4 37. 15 36. 4 37. 27 44. 24 36. 38
极差 Maximal range 10. 09 11. 11 9. 12 7. 02 8. 52
最优水平
The most optimazed level
1 1 1 4 2
421
第 7 期 于 存等: 一色齿毛菌产 MnP 的条件优化及对染料的脱色
表 4 第 2 次正交试验结果
Tab. 4 Results of the second time orthogonal test
试验组号
Group No.
因素 Factor
F G H I
MnP 酶活
MnP activity /(U·L - 1 )
1 1 1 1 1 53. 77
2 1 2 2 2 14. 27
3 1 3 3 3 24. 13
4 2 1 2 3 47. 16
5 2 2 3 1 57. 48
6 2 3 1 2 57. 24
7 3 1 3 2 87. 54
8 3 2 1 3 31. 59
9 3 3 2 1 93. 83
各因素水平均值 k1 30. 73 62. 82 47. 53 68. 36
Mean value k2 53. 96 34. 45 51. 75 53. 02
of each level k3 70. 99 58. 4 56. 38 34. 29
极差 Maximal range 40. 26 28. 37 8. 85 34. 07
最优水平 The most optimazed level 3 1 3 1
表 5 第 1,2 次正交试验酶活方差分析
Tab. 5 Variance analysis of mean MnP activity for first and second time orthogonal tests
因素 Factor
方差 Variance
平方和
Sum of square
均方
Mean square
自由度
Degree of freedom
统计量值
Statistic value
显著性
Significance
A 461. 28 153. 76 3 2 779 123. 41 *
B 585. 88 195. 29 3 3 529 838. 77 *
C 339. 14 113. 08 3 2 043 287. 21 *
D 274. 12 91. 37 3 1 651 538. 32 *
E 389. 47 129. 82 3 2 346 503. 66 *
误差 Errors 0 0 16
F 4 901. 779 2 450. 889 2 5. 35E + 07 *
G 2 796. 862 1 398. 431 2 3. 05E + 07 *
H 235. 157 117. 578 2 2 566 751. 41 *
I 3 492. 957 1 746. 478 2 3. 81E + 07 *
误差 Errors 0. 001 4. 58E - 05 9
2. 4 正交试验结果验证
在第 1 次正交试验最佳组合,即果糖 10 g·L - 1、
硝酸铵 0. 2 g·L - 1、Mn2 + 浓度 2. 67 mmol·L - 1、接种
量 9 片、装液量 70 mL、29 ℃下培养 7 天后,测定
MnP 活性为 55. 23 U·L - 1,第 2 次正交试验最佳组
合,即在第 1 次正交试验最佳组合的基础上改变
pH5. 5、吐温 80 加入量 0、150 r·min - 1摇瓶培养、
34 ℃下培养 7 天后,测定 MnP 活性为 95. 47 U·
L - 1。对比 2 次正交试验各参数其他水平下所获得
的 MnP 活性,该结果为最高,表明正交试验得当,结
果可靠。
2. 5 优化后的一色齿毛菌胞外酶液对 5 种染料的
脱色效果
在本项试验中,首先测得了 3 种结构类型 5 种
染料其 50 mg·L - 1的水溶液在各自最大吸收峰处的
波长值与其对应的吸光值,其中偶氮类的活性黑
λmax为 595,其对应的吸光值为 1. 319; 活性红 λmax为
539,吸光值为 0. 753; 刚果红 λmax为 501,吸光值为
1. 651; 杂环类的中性红 λmax为 528,吸光值为 3. 043;
三苯基甲烷类的结晶紫 λmax为 584,吸光值为 2. 331。
根据优化后的培养条件即果糖 10 g·L - 1、硝酸铵 0. 2
g·L - 1、Mn2 +浓度 2. 67 mmol·L - 1、调整 pH 为 5. 5、
150 r·min - 1摇瓶培养、250 mL 三角瓶70 mL装液量、
接种 = 8 mm 的菌片 9 片、在 34 ℃下进行培养,由
于在初始培养条件下一色齿毛菌产 MnP 的酶活规
律曲线表明一色齿毛菌产 MnP 在 7 天时活性就会
达到最高,以后会下降,因此优化培养也是选择 7 天
时开始进行脱色试验,其胞外酶液对 5 种染料在不
同时间的脱色结果见图 3。由图 3 可以看出,经 0. 5
h 脱色后,对活性红、中性红、结晶紫、活性黑和刚果
红的脱色率分别达到 25. 5%,23. 9%,6. 6%,5. 7%
和 5. 13%。在 1 天内对刚果红的脱色反应最为迅
速,1 天时的脱色率已达到 79. 2% ; 活性黑次之,脱
色率为 60. 6% ; 然后是活性红 43. 5%、结晶紫
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林 业 科 学 50 卷
45. 1%和中性红 43. 9%。胞外酶液对刚果红的脱
色是在 4 天后脱色能力不再上升,脱色率在达到
91. 3%时基本保持稳定; 对活性黑是在 6 天之后脱
色率不再上升,此时脱色率达到 95. 9% ; 对活性红、
结晶紫和中性红都是在 8 天之后脱色率不再上升,
此时脱色率分别为 89. 4%,75. 2%和 72. 3%。8 天
时对活 性黑的 脱色最为彻底,脱色 率 已 高 达
98. 4% ; 对刚果红次之,脱色率为 92. 8%。
图 3 MnP 活性优化后的胞外酶液对 5 种
染料脱色率随时间的变化
Fig. 3 The decolorization percents of extracellular
enzyme solution to 5 kinds of dyes
由于白腐菌对染料的脱色作用是分别来源于
菌丝体对染料分子的吸附作用和木质素降解酶系与
染料分子发生氧化还原反应的综合结果,因此,试验
中对照组 A0值的测得是将培养液高压灭菌后再分
别加入染料的吸光值,这一部分即是由于菌丝体对
染料分子的吸附作用所获得的脱色效果,而与前面
的去离子水为对照测得的吸光值不同,从而消除了
由于菌丝体的吸附作用所造成的脱色,使脱色率的
结果仅来源于胞外酶液的作用。从 5 种染料在加入
到高压灭菌的培养液后测得的吸光值数据来看也可
充分证明这一点,这 5 个吸光值分别是活性黑
1. 243、活性红 0. 604、刚果红 0. 681、中性红 1. 191
和结晶紫的 2. 267,都比 5 种染料其 50 mg·L - 1对应
水溶液的吸光值小,这足以说明菌丝体的吸附作用
能造成部分脱色效果,但即使这种仅来源于胞外酶
液的脱色率也很高。
3 结论与讨论
通过在初始条件下培养、最佳碳源和最佳氮源
的筛选和 2 次正交试验对一色齿毛菌产 MnP 条件
的研究,得到以下结论: 较低浓度的碳源与氮源、较
低浓度的 Mn2 +、较低的装液量、较低的底物浓度和
较高的接种量对一色齿毛菌产 MnP 更为有利,较酸
化的培养液和加入吐温 80 不利于 MnP 的产生,而
适当提高培养温度有利于提高 MnP 活性。分析碳
氮对 MnP 的影响,可能是由于低浓度的碳氮能刺激
一色齿毛菌更快地产生 MnP。多数白腐菌产 MnP
对 Mn2 +具有依赖性,在一定范围内随 Mn2 + 浓度的
增加产酶量增大 ( Scheel et al.,2000;Nuske et al.,
2002),但本研究较低浓度的 Mn2 +更利于 MnP 的产
生,怀疑是所选择的 Mn2 +浓度范围偏高。适合的溶
氧量有利于 MnP 的产生,所以本研究中,较低的装
液量使溶氧量相对增加,从而更利于 MnP 的产生。
后续试验还需进一步测试更低浓度的碳源、氮源、
Mn2 +浓度对一色齿毛菌产 MnP 的影响,以进一步提
高 MnP 的产量。
由于偶氮类染料占合成染料的 80%以上,因此
本试验选择了 3 种常见的偶氮染料、1 种杂环类染
料和 1 种三苯基甲烷类染料。对 5 种染料的脱色试
验表明: 一色齿毛菌产 MnP 优化后的胞外酶液对 3
种结构类型的 5 种染料都有较大程度的脱色降解能
力。一色齿毛菌对 3 种偶氮类染料活性黑、刚果红
和活性红都有较彻底的脱色降解,对三苯甲烷类染
料结晶紫和杂环类染料中性红的脱色能力也达到了
相当高的程度。因此,在对染料废水进行有效的生
物处理方面具有良好的应用前景。
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(责任编辑 石红青)
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