吡啶降解菌的表征及降解动力学研究(3)
1.2.2.1 吡啶的好氧生物代谢
研究发现，在好氧和厌氧条件下，微生物都可以利用吡啶及其衍生物作为生长的碳源和氮源。关于吡啶的生物降解途径的研究目前还集中在好氧降解方面。尽管有很多研究表明微生物能够转化吡啶类物质, 但是吡啶环裂解的机制还不清楚。根据已检测到的代谢产物,学者们推测吡啶好氧生物降解可能有两种方式[1] : 一是直接还原途径, 不发生羟基化而直接还原;另一种是先发生羟基化反应, 然后还原[13]。但由于吡啶及其衍生物毒性较大，一般的微生物无法作用或者降解效果差，本实验通过在模拟废水中投加吡啶特效菌以实现高浓度吡啶废水的高效降解。
目前，国内外学者已经对吡啶高效降解菌的分离和鉴定做了大量工作，并且筛选出了大量的高效降解菌，主要有: Pseudomonas sp., Arthrobacter sp., Gordonia sp., Pseudonocardia., Bacillus sp., Pimelobacter sp., Rhodococcus sp., Flavobacterium sp., Proteus sp., Nocardioides sp., Shinella sp., Paracoccus sp., Streptomyces sp., Thiobacillus sp., Flexibacter sp.和白腐真菌等[14-17]，它们对含量99~1806mg/L的吡啶具有较好的降解效果，降解率可达97.4%~100%。但上述筛选得到的菌株对高浓度吡啶的耐受力较低，在实际废水处理中，高降解率往往是以延长水力停留时间为代价的，因此，筛选耐受力较高的降解菌十分必要。
1.2.2.2 吡啶的厌氧生物降解
目前, 关于吡啶在厌氧条件下的生物降解还未提出类似于好氧降解那样较为明确的途径。许多学者对吡啶在不同氧化还原条件下的降解进行了研究[12]。结果显示, 在硝酸盐还原、硫酸盐还原和产甲烷条件下吡啶都可以得到降解。Rhee S K等[18]的研究表明, Azoarcus evansii pF6在硝酸盐还原条件下降解吡啶的途径与好氧降解的是一样的, 但该途径中没有羟基化中间产物。
1.3 吡啶降解动力学研究
作为含氮杂环化合物的代表，吡啶被广泛应用于制造染料，除草剂，杀虫剂和药物。吡啶的毒性和它的致畸致癌作用导致了严重的环境问题。出于这个原因，许多技术已经开发来去除废水中的吡啶。而生物降解动力学方面的知识对于吡啶类的污染物的研究有很大的帮助。生物降解动力学能够帮助理解污染物对生物量和生物降解性能的抑制趋势。吡啶中微生物的生长能够由底物抑制模型成功的描绘出来，例如Haldane模型，已经成功的提供了可靠的实验相关数据。然而在以往的调查研究中，生物降解动力学在吡啶方面的应用还是很少。为了更好的对菌株的生化过程进行研究、控制和优化，本实验采用降解动力学模型来定量描述反应体系的生化过程。目前，对于高效降解菌株代谢动力学及代谢机理的研究日益深入。动力学研究主要是建立数学模型来模拟实验的情况，以确定菌体对于底物的降解性能，进而对反应的放大和微生物反应器的设计提供有效的信息。动力学模型的建立不仅是对代谢过程的模拟，更能够对实施过程进行优化[19]。开展微生物代谢动力学研究，有利于对降解过程进行优化，以实现高产低耗的目的[20]。
1.4 研究课题的提出和内容
1.4.1 研究课题的提出
吡啶类化合物是一类典型的难降解含氮杂环化合物，分子式为C6H5N，为无色或微黄色液体，有恶臭。具有致毒性、难降解性等特点，对生态环境和人体健康存在很大的危害。由于经济和技术的原因，物理化学法降解吡啶消耗成本大，能源多；而生物降解法不仅降解性能好且经济高效，应用越来越广泛。而微生物降解有机物的过程具有难以控制的特点，使得生化水处理条件难以控制。有实验研究表明对微生物动力学模型的建立可实现对生化过程的定量控制和优化。基于以上背景，本论文将在课题组前期研究的基础上，采用具有自絮凝能力的三种吡啶降解菌作为接种物，建立吡啶特效菌株降解动力学模型，以定量描述及控制优化吡啶的生化过程，得到各降解菌株的动力学参数，以比较三种菌株降解性能的优劣。