光合细菌的优化培养和生长动力学

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3000lx、微好氧、30℃、pH7.0.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=0.20-0.24g·L-1,最大比生长速率Lmax=0.038-0.044h-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OptimalcultivationandgrowthkineticsofphotosyntheticbacteriaAbstract:Thispapergivesadetailstudyontheoptimalgrowthconditionsoftemperature,illumination,pHanddissolvedoxygenforphotosyntheticbacteria.Withtheorthogonalexperiment,theoptimalcultureconditionsforthegrowthofphotosyntheticbacteriaweredetermined:illuminationintensity3000lx,faintlyaerobic,30℃,pH7.0.Undertheoptimalcultivationandthesimulatedmonosodium-glutmatewastewaterconditions,akineticsmodelonthegrowthofphotosyntheticbacteriainthesubstrateofCH3COONawassetup.Theparametersinthemodelareasfollows:thesaturationconstantKs0.20-0.24g·L-1andthemaximumspecificgrowthrateLmax0.038-0.044h-1.TheexperimentresultsshowedthatthismodelcoulddescribethegrowthdataofPSBverywell.Keywords:photosyntheticbacteria;orthogonalexperiment;optimalcultivation;kineticsmodel光合细菌(photosyntheticbacteria,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(660nm)1.8,活菌数超过1×1010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)第32卷第4期JournalofFujianAgricultureandForestryUniversity(NaturalScienceEdition)2003年12月菌(Rhodopseudomonascapsulata).1.2培养基优化培养试验采用RCVBN扩大培养基[6].其组成为:3.0gCH3COONa、1.0g(NH4)2SO4、0.2gMgSO4、1.0gNaCl、0.3gKH2PO4、0.5gK2HPO4、0.05gCaCl2、0.1g酵母膏、1mL微量元素、1000mL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:2gEDTA-2Na、0.2gFeSO4·7H2O、0.1gMnCl2·4H2O、0.1gH3BO3、0.1gCoCl2·6H2O、0.1gZnCl2、0.02gNa2MoO4·2H2O、0.02mgNiCl2·6H2O、0.01gCuCl2·2H2O、1000mL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50L.培养器光照根据强度不同的需要分别由3只25、40、60、100W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(660nm);pH采用瑞士Delta320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Table1Factorsandlevelsoftheorthogonalexperiment水平因素光照度/lx溶解氧mg·L-1H/℃pH101259215000.5-1.0307330000-0.5355表2PSB生长情况的正交试验结果及分析Table2ResultsandanalysisoftheorthogonalexperimentonthegrowthofPSB试验号因素光照度/lx溶解氧mg·L-1H/℃pHD(660nm)111110.477212220.816313330.622421230.913522311.172623121.128731321.597832132.044933212.152K11.9152.9873.6493.801K23.2134.0323.8813.541K35.7933.9023.3913.579R3.8781.0450.4900.2602结果与分析2.1培养条件的优化根据本课题组先前的单因素试验结果[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5L,即10%,起始D(660nm)为0.477,培养66h后测D(660nm),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℃、pH7.0.515第4期熊万永等:光合细菌的优化培养和生长动力学2.2PSB生长动力学模型的建立2.2.1PSB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3000lx、溶解氧0.5mg·L-1左右、30℃、pH7.0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6h,约66h后进入衰亡期.因此,本试验采用开始6h后每隔12h分别测定各培养器中底物的质量浓度以及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Table3Massconcentrationofsubstrateanddryweightofbacteriaatdifferenttimet/h培养器1Q(底物)mg·L-1菌体干重mg·L-1培养器2Q(底物)mg·L-1菌体干重mg·L-1培养器3Q(底物)mg·L-1菌体干重mg·L-1培养器4Q(底物)mg·L-1菌体干重mg·L-105201.714361.730751.860201.865081.714201.730651.960002.0184903.213943.830294.659505.5304566.013368.4294011.0581015.04239511.0121018.0273027.5543042.05429619.094339.0222066.04388115.06616030.043380.01065154.01664305.07814531.540681.7872166.01320322.02.2.2PSB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)dXdt=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/(g·L-1);dXdt为PSB的生长速率/(g·L-1·h-1);-dSdt为底物的消耗速率/(g·L-1·h-1);YX/S为PSB的得率系数/(g·g-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Table4Comparisonofsimulationandexperimentt/h预测值Q(底物)mg·L-1菌体干重mg·L-1试验值Q(底物)mg·L-1菌体干重mg·L-1040221.940221.9640152.040152.01839765.039825.130388012.3386413.442364230.4360633.054306074.6289278.6661685179.11488193.0781210206.0验结果估计的参数值分别为:Lmax=0.038、0.038、0.040、0.0440h-1,KS=0.22、0.20、0.23、0.24g·L-1,YX/S=0.082、0.080、0.076、0.070g·g-1,目标函数值分别为0.000208、0.001300、0.000900、0.000250.2.3模拟值与试验值的比较起始底物质量浓度为4022mg·L-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、微好氧、温度30℃、pH7.0.(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=0.20-0.24g·L-1,最大比生长速率Lmax=0.038-0.044h-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,19