微生物对涤纶丝及合成单体的降解初探
张健飞 王晓春 巩继贤 倪丽婕 季 莉 顾振亚
(天津工业大学材料化工学院，天津,300160)
(天津市高等学校科技发展基金资助项目，编号为20021106)
原载:<纺织学报>2003/3 p58-60
摘要:用微生物对涤纶丝和对苯二甲酸乙二酯(DTP)进行降解性能研究。结果表明，微生物对DTP降解率较高，可达90%以上;微生物对涤纶丝的降解相对很少，但从电镜图片中可看到微生物对涤纶的刻蚀痕迹。
关键词:微生物生物降解
涤纶丝 DTP 环境保护 探讨
中图法分类号:TS 108.6 文献标识码;A
涤纶纤维以其优越的性能成为目前应用最广泛的合成纤维之一，预计到2005年，世界的涤纶产量将达到2090万吨，我国的涤纶产量将达到293万吨，消耗量将达到360万吨[1,2]。涤纶的产量和消耗量逐年递增，其使用后的废弃物也将数量巨大，从环境和生态效应考虑，作为在自然环境中难以降解的高聚物[3,4]，涤纶的废弃物已经成为全球性的环境
污染源之一。
研究用生物方法降解涤纶是今后发展的趋势，也是目前国际上研究的热点。这种方法不仅可以将涤纶纤维(或其合成单体)降解成为无公害的小分子物质，减少涤纶废弃物对环境的污染;还可以通过控制，使涤纶废弃物降解成为一定的分子量，便于回收利用;也可以对涤纶纤维进行改性，以改善纤维的吸湿、染色、光泽及手感等性能。所以生物降解涤纶有着广阔的发展前景。
目前有关涤纶纤维用微生物降解的研究报道还很少，主要是由于涤纶纤维的结构紧密，不利于微生物的反应进行，目前正处于初步探索阶段。本实验从我国不同地域的化纤厂、染整厂的活性污泥中提取、培养降解菌，研究了不同菌株对涤纶丝和涤纶的合成单体对苯二甲酸二乙酯(DTP)的降解效果。
1 实验
1·1菌源
活性污泥分别取自天津石化总公司化纤厂、浙江省绍兴银桥化纤厂、浙江绍兴稽山印染厂、福建省福清市化纤厂的废水池。
1·2培养基及降解基条件
培养基(后简称Ml)和降解基(后简称M5)的组成如表1所示。其培养方法为:将污泥溶于生理盐水，吸取1 mL菌悬液加到5mL的Ml培养基中，30℃培养7d，转接两次后，作为降解基的微生物来源。降解方法为从MI培养基中移取0.2mL菌液接种至2mL的M5降解基中，于30℃下降解14d。降解后，在降解液中加入4.67mL甲醇，使得降解液的甲醇浓度为70%，随后用70%的甲醇定溶至25mL，待测。
表1培养基和降解基组成
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进培养基(Ml)的组成 |
降解基(M5)的组成 |
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DTP 0.5g/L NH4NO3 0.5g/L KH2PO4 0.1g/L MgSO4·7H2O O.02g/L NaCl O.02g/L 酵母提取物 0.02g/L pH 9.0 |
葡萄糖 2.Og/L NH4Cl l.Og/L KH2PO4 3.0g/L MgSO4·7H2O 0·25 g/L Na2HPO4 7.0g/L NaCl 0.5g/L DTP或PET(底物)5.0 g/L |
H2BO3
O.5μg/L CuSO4·5H2O 40.0 μg/L FeCl3·6H2O 0.2μg/L ZnCl2 0.4μg/L MnSO4·5H2O O.4μg/L (NH4)6MO7O34·7H2O 0.2μg/L pH 6.8 |
1，3测试方法
采用美国Water 600E高效液相色谱仪(HPLC)测定降解后溶液中的DTP及对苯二甲酸(TA)的残余量。条件为:检测器:996PDA;分析柱:Xterra RP18 5μ155×3.9mm;波长:240nm;流速:1mL/min;溶剂:甲醇:水(KH2PO4 0·O5ml/L，用H3PO4调pH=2)60:40。采用KYKY-2800电子扫描显微镜(SEM)观察降解后涤纶丝表面的变化。
2 结果与讨论
2·1微生物对DTP及PET降解产物的分析
对于PET的微生物降解，现有的降解率测试方法大都基于这样的基础:认为微生物分泌的酶攻击大分子中的酯键，引起酯键的断裂，形成低聚合度的对苯二甲酸二乙酯，进而形成对苯二甲酸，因此基本上使用失重法[6-10]及确定降解后形成的对苯二甲酸含量法[7-8]以分析PET的降解率，通过扫描电子显微镜[7,8,10]观察微生物侵蚀后的纤维表面的刻蚀状况。对于DTP的微生物降解，其降解率测试方法一般采用测试DTP的残余量或某一物质(如对苯二甲酸)的生成量的方法。本实验采用高效液相色谱法来观察降解情况，如图1～图6。
由图1、图2看出，TA和DTP的标准溶液色谱峰很清晰，流出时间分别在2min和6min左右。但图3～图5中的色谱峰很多，除在2min和6min附近有TA和DTP外(注:图5中的DTP 峰与其它图的出峰处略有差别，这是由于该样品与其它样品测试的时间不同)，还有其他许多峰，说明微生物对DTP的分解产物很复杂，除了将DTP的酯键断开形成TA外，还会继续降解TA形成许多其他产物(产物的不单一性)，故本实验中，不能用生成的TA数量来检测DTP的降解率，而可以用DTP 的残余量表示。对于涤纶纤维的降解，由图6知，虽然降解的产物量很少，但也是由多种产物组成。
2，2微生物对DTP降解率的影响
按一定条件，用收集的菌种对DTP行了降解实验，结果如表2。
表2 微生物对DTP的降解液高效液相色谱(HPLC)分析
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序号菌源 |
降解条件 |
降解后残留的TA(mg/L)占% |
降解后残留的DTP(mg/L)占% |
降解率% |
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9#天津石化纤维厂 10#绍兴银桥化纤厂 1l#浙江稽山印染厂 2#福建福清化纤厂 l#混合菌 |
M5,14d M5,14d M5,14d M5,14d M5,14d |
0.98(0.29) 1.42(0.48) 0.28(0.09) 3.00(1.00) 139.00(46.50) |
11.30(2.83) 26.56(6.64) 5.87(1.47) 32.00(8.00) 26.00(6.50) |
97.2 93.4 98.5 92.0 93.5 |
从表2中看出，产物中TA含量很少，不能用于计算DTP 的降解率;从降解后残量计算降解率，收集到的菌种中一般都可达到92%以上。这说明，在自然界中，降解对苯二甲酸乙二酯的微生物相对好寻栈，且降解率较高，如果再进行优化工艺，可以将DTP完全降解。但由于降解的复杂性，降解的具体产物目前还不很清楚，降解的机理还有待于进一步研究。
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图1 对苯二甲酸(TA)标准液色谱图 |
图2 对苯二甲酸二乙酯(DTP)标准液色谱图 |
图3 微生物(Y)对DTP降解液的色谱图 |
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图4 微生物(T)对DTP降解液的色谱图 |
图5 微生物(F)对DTP降解液的色谱图 |
图6 微生物(T)对涤纶丝降解液的色谱图 |
2·3微生物对涤纶丝降解率的影响
按一定条件，用收集的菌种对涤纶丝进行了降解实验，结果如表3。
表3微生物对涤纶丝的降解液高效液相色谱(HPLC)分析
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序号 |
培养基 |
pH |
菌源 |
底物 |
降解解条件 |
降解后残留的TA(mg/L)占% |
备注 |
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3# |
M1 |
9 |
天津石化纤维厂 |
涤纶丝 |
M5,14天 |
0.055(0.018) |
图6一图9 |
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4# |
M1 |
9 |
绍兴银桥化纤厂 |
涤纶丝 |
M5,14天 |
末检出 |
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5# |
M1 |
9 |
浙江稽山印染厂 |
涤纶丝 |
M5,14天 |
未检出 |
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从表3可知，涤纶丝降解后产物中TA很少或未检测出，说明一是涤纶纤维结构紧密，微生物无法进人纤维内部进攻大分子;二是可能筛选的微生物对涤纶大分子还不能很好的降解，需要进行适当的驯化和培养。但从液相色谱图中(如图6)还是能看到微生物对涤纶降解后有极少量的其它产物生成 (有一些其它吸收峰)，也证明微生物降解产物的非单一性。我们从降解后涤纶纤维表面的电镜照片可看到微生物刻蚀的痕迹，如图7一图9。
由电镜照片看出，尽管微生物对涤纶的降解量很少，刻蚀痕迹也较浅，且在表面上分布也是较为松散和不均匀，但仍然看出降解后有较为明显的刻蚀痕迹，说明微生物还是能对涤纶纤维起降解作用。今后需要对这些微生物进行更进一步的驯化和培养工作，另外对降解的工艺也要进一步进行优化，以寻找出涤纶纤维的高效降解菌。
3 结论
1.微生物对DTP及涤纶丝降解的产物不是单一的，即微生物不仅降解化合物的酯键，还会对降解后的产物进一步降 解。
2.微生物对DTP降解率较高，可高达90%以上，用其解决DTP的环境污染很有利。
3.微生物对涤纶纤维的降解率很低，但从电镜上看仍有较明显的刻蚀痕迹。
4.需要对微生物进行进一步的筛选、驯化和培养，对降解工艺进行进一步的优化，才有可能寻找到高效降解菌和可行的降解工艺。
致谢:感谢日本福井大学末信一朗教授对本实验提供的帮助。
参考文献
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