近红外光对光合细菌利用废水累积高价值产物的影响

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1128

摘要/Abstract

摘要：

利用光合细菌（PSB）对废水进行处理可以同时实现对污染物的降解与生物质资源的转化利用。PSB的光合作用中心吸收光谱位于近红外光光谱范围内，因此近红外光可能是提高PSB废水资源化效率的有利条件。探索了近红外光对采用沼泽红假单胞菌（R. palustris）实现废水资源化效果的影响，结果表明，近红外光有利于提高R. palustris从废水中累积高价值生物质的能力。近红外光单独作用可将R. palustris的指数增长期缩短为2 d并提高其生物量与色素产量，实验条件下生物质质量浓度与菌体产率分别为1 156.22 mg/L与（0.282±0.031） g/g，类胡萝卜素和菌绿素最高质量浓度分别为5.48、44.00 mg/L；近红外光与自然光叠加有利于累积辅酶Q₁₀（CoQ₁₀），实验条件下干菌体中CoQ₁₀质量分数可达41.83 mg/g；近红外光与白炽灯叠加可提高R. palustris蛋白质产率并提高污水处理效率，实验条件下蛋白质质量浓度与产率分别高达790.76 mg/L与（3.625±0.156） g/g，对污水中COD和NH₄ ⁺-N去除率分别达80.84%、91.44%。近红外光的使用为提高PSB污水资源化效率提供了新的方法与思路。

关键词: 沼泽红假单胞菌, 光合细菌, 近红外光, 废水资源化

Abstract:

The degradation of pollutants and the utilization of biomass can be simultaneously realized with photosynthetic bacteria (PSB) for wastewater treatment. The photosynthetic center absorption spectrum of PSB is in the range of near-infrared light spectrum, which may be favorable conditions to improve the utilization efficiency of resource in the wastewater with PSB treatment. This study focused on exploring the effects of the near-infrared light on the utilization of wastewater resource with R. palustris. The results showed that the near-infrared light could facilitate the accumulation of high-value biomass from wastewater with R. palustris. With only the near-infrared light, the growth period of R. palustris was shortened to 2 days, as well as biomass accumulation and pigments production were enhanced. Meanwhile, the biomass mass concentration and biomass yield reached to the highest level of 1 156.22 mg/L and (0.282±0.031) g/g, respectively. The mass concentration of carotenoids and bacteriochlorophyll reached to the highest level of 5.48 and 44.00 mg/L, respectively. The superposition of the near-infrared light and natural light facilitated the synthesis of Co-enzyme Q₁₀ (CoQ₁₀), with mass fraction reached as 41.83 mg/g. The superimposition of near-infrared light and incandescent light promoted protein yield of R. palustris and improved wastewater treatment efficiency. The mass concentration and yield of protein were as high as 790.76 mg/L and (3.625±0.156) g/g. COD and NH₄ ⁺-N removal rates reached 80.84% and 91.44%, respectively. The application of near-infrared light provides new methods for improving the utilization efficiency of wastewater resource with PSB.

Key words: R. palustris, photosynthetic bacteria, near-infrared light, wastewater resource recovery

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I11/126

图/表 9

表1 人工糖蜜废水配制成分

Table 1 Composition of artificial molasses wastewater

成分	分子式	质量浓度/（g·L^-1）
蔗糖	C₁₂H₂₂O₁₁	1.5
DL-苹果酸	C₄H₈O₅	1.5
乙酸钠	CH₃COONa	1.5
碳酸氢钠	NaHCO₃	0.5
硫酸铵	（NH₄）₂SO₄	0.94
磷酸二氢钾	KH₂PO₄	0.2
七水合硫酸镁	MgSO₄·7H₂O	0.1

表2 实验设计

Table 2 Experimental design

组别	条件设计
DK	黑暗
DIR	黑暗+近红外光
NK	自然光（0~800 Lux）
NIR	自然光（0~800 Lux）+近红外光
WN	自然光（0~800 Lux）+白炽灯（3 000 Lux）
WNIR	自然光（0~800 Lux）+近红外光+白炽灯（3 000 Lux）

图1 不同光照组合条件下R. palustris生物量随时间的变化及其最高平均日产量

Fig.1 Biomass changes of R. palustris with time and biomass maximum average daily yield under different light combinations

图2 不同光照组合条件下R. palustris类胡萝卜素产量随时间的变化

Fig.2 Carotenoid production changes of R.palustris with time under different light combinations

图3 不同光照组合条件下R.palustris BChl产量随时间的变化

Fig.3 BChl production changes of R.palustris with time under different light combinations

图4 不同光照条件下R. palustris蛋白质产量随时间的变化

Fig.4 Protein production changes of R.palustris with time under different light combinations

图5 不同光照组合条件下R. palustris CoQ₁₀产量随时间的变化

Fig.5 CoQ₁₀production of R.palustris with time under different light combinations

图6 不同光照组合条件下COD和NH₄ ⁺-N的去除率注：不同标记的字母表示显著性差异。

Fig. 6 COD and NH₄ ⁺-N removal rates under different light combinations

表3 不同光照组合条件下R. palustris处理废水时的菌体和蛋白质产率

Table 3 Cell yield and protein yield of R. palustris in wastewater treatment under different light combinations

组别	菌体产率/（g·g^-1）	蛋白质产率/（g·g^-1）
DK	0.124±0.036 ^f	2.618±0.037 ^b
DIR	0.282±0.031 ^a	2.711±0.182 ^b
NK	0.186±0.010 ^d	2.855±0.034 ^b
NIR	0.203±0.019 ^c	2.931±0.322 ^b
WN	0.168±0.002 ^e	2.555±0.143 ^b
WNIR	0.260±0.003 ^b	3.625 ±0.156 ^a

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