不同含氮添加剂对罗布麻生物脱胶效果的影响.pdf

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1、第2 7 卷第3 期 2 0 0 6 年3 月 纺织学报 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 7N o 3 M a r 2 0 ( ) 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 6 0 3 0 0 3 0 0 3 不同含氮添加剂对罗布麻生物脱胶效果的影响 韩光亭，张元明，孙亚宁 ( 青岛大学，山东青岛2 6 6 0 7 1 ) 摘要从微生物的组成、生长及繁殖等方面阐述了氮是微生物生命活动所必需的元素。以铵盐和硝酸盐作为含 氮添加剂进行脱胶试验。结果表明，不同化合价的氮元素对罗布麻生物脱胶具有不同的影响，以铵盐

2、作为含氮添 加剂残胶率为1 4 1 ，以硝酸盐作为含氮添加剂残胶率为1 5 。利用半反应方程从理论上论证了不同价态的含氮 添加剂对罗布麻生物脱胶效果的影响是不同的。试验和理论都表明，以铵盐作为含氮添加剂的脱胶效果要好于以 硝酸盐作为含氮添加剂的脱胶效果。 关键词罗布麻；半反应；生物脱胶 中图分类号：T S l 7 6文献标识码：A I n f l u e n c eo fd i f f e r e n tn i t r o g e na d d i t i v e so nt h eb i o l o g i c a ld e g u m m i n g r e s u l to ft h e

3、a p o c y n u m H A NG u a n g - t i n g ，Z H A N GY u a n m i n g ，S U NY a n i n g ( Q i n g d a oU n i v e r s i t y ，Q i n g d a o ，S h a n d o n g 2 6 6 0 7 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t F r o mm i c r o o r g a n i s m Sc o m p o s i t i o n ，g r o w t ha n dr e p r o d u c t i o na n dS Ooni

4、 ti se l a b o r a t e dt h a tt h e n i t r o g e nw a st h ee s s e n t i a le l e m e n tt om i c r o o r g a n i s mv i t a la c t i v i t y D e g u m m i n ge x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t h t h ea m m o n i u ms a l ta n dt h en i t r a t ea st h en i t r o g e na d d i t i v e

5、 T h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ed i f f e r e n t n i t r o g e n e l e m e n th a st h ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo na p o c y n u mv e n e t u md e g u m m i n g t h er e m n a n tp e c t i nr a t ei s1 4 1 w i t h a m m o n i u ms a l ta sn i t r o g e na d d i t i v e 15 w

6、i t ht h en i t r a t e I td e m o n s t r a t e st h a tt h ei m p a c to nd e g u m m i n go f a p o c y n u mv e n e t u mi sd i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n tn i t r o g e na d d i t i v et h r o u g hu s i n gt h eh a l fr e s p o n s ee q u a t i o n T h e e x p e r i m e n ta n dt h e

7、o r ya l li n d i c a t e st h a tt h ee f f e c t o fa m m o n i u ms a l ta st h ed e g u m m i n gn i t r o g e na d d i t i v ei s b e t t e rt h a nt h ee f f e c to fn i t r a t ea st h ed e g u m m i n gn i t r o g e na d d i t i v e K e yw o r d s a p o c y n u mv e n e t u m ；h a l fr e s p

8、 o n s ee q u a t i o n ；b i o l o g i c a ld e g u m m i n g 自然界中氮、碳、硫等有机物和无机物的重要组 成元素循环是依赖微生物的代谢活动来完成的。例 如土壤中的微生物能将动、植物的有机氮化物转化 为无机氮化物，以供植物生长的需要，而植物又为人 类和动物所食用。此外，空气中大量的游离氮也只 有依靠固氮菌等微生物作用后才能被植物吸收，因 此，没有微生物人类、动物和植物将难于生存。一 些微生物在纺织上也有较多应用，如可用于麻纺的 前处理脱胶。 麻生物脱胶虽然很难达到纺纱的要求，但通过 再次较低强度的碱煮即可达到纺纱的要求。其精干 麻具有

9、柔软、蓬松、卷曲、手感好等优良性能。生物 脱胶与纯化学脱胶相比还有纤维单纤长度长、定弹 伸长大、耐磨性强等优点，有利于纺纱的顺利进行， 能改善麻织物的服用性能，且节省辅料，降低能耗， 生物脱胶还可节约用水，废水处理后易于达标，并且 废水经一定的处理可回用做农业灌溉用肥。所以， 麻生物脱胶符合2 l 世纪环保与可持续发展的需要， 具有重大开发意义。 氮对微生物生长量的影响 由微生物的元素组成可知，在微生物细胞内碳、 氢、氧、氮占9 0 以上，磷、硫占6 左右，其它元素 收稿日期：2 0 0 4 0 9 1 9修回日期：2 0 0 5 0 5 2 4 作者简介：韩光亭( 1 9 5 7 一) ，男

10、，汉族，教授，硕士。主要从事纤维材料结构性能与应用方面的研究。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期韩光亭等：不同含氮添加剂对罗布麻生物脱胶效果的影响【3 1 】 如钾、钠、钙、镁、氯、铁、锰、钴、铜、锌、钼等为微量元 素。细菌细胞中的蛋白质、碱基、辅酶和辅基及细胞 壁中的肽聚糖和代谢产物等都含有氮，所以，氮对微 生物生长来说是必不可少的。由于麻胶中含大量的 碳、氢、氧，而氮的含量较少，因此在微生物脱胶过程 中有必要添加一定数量的氮元素以满足微

11、生物生 长、繁殖的需要。氮元素在自然界中存在的价态可 以从一3 价到+ 5 价，而能被微生物直接用来代谢的 只有一3 价。氮的其它几种存在形式能够被某些微 生物间接利用，不同的微生物种类在这方面的能力 有很大的区别。对于多数细菌来说，能够利用的氮 主要是一3 价和+ 5 价的。氮元素是影响微生物生 长，也是影响脱胶的主要因素之一，因此，在脱胶过 程中需加入含氮添加剂。其它元素由于需求量较 少，一般罗布麻韧皮所有的元素成分及数量基本可 以满足脱胶微生物的需要。 2 试验部分 2 1 仪器与试剂 仪器：新华电热灭菌器、电热恒温培养箱、恒温 振荡器、超净工作台、p H 计、三角烧瓶、培养皿、加热 器

12、等。 试剂：营养琼脂培养基、磷酸二氢钾、食盐水、蒸 馏水、硝酸铵、碳酸铵等。 2 - 2 流程与参数 微生物脱胶工艺流程：试样准备一将麻皮装入 烧瓶一1 2 1 高压灭菌一加菌振荡一1 2 1q C 高压灭 菌一水洗。 微生物脱胶参数：K 。H P 0 4 3 H 2 0 ( 分析纯) 的质 量分数0 8 ，脱胶温度4 2 ，脱胶时间2 4h ，浴比 l ：2 5 ，振荡器转速1 5 0r m i n ，初始菌量为每1 0 0m L 溶 液加入一个平板。方案1 中以( N H 4 ) ，C O ，为含氮添 加剂，方案2 以K N O ，为含氮添加剂。 2 3 试验结果 为了避免数据的偶然性，试

13、验按上述测试方法 每个方案重复3 次，并采用G B5 8 8 9 8 6 苎麻化学 成分分析方法测试残胶率，结果列于表1 中。从表 1 可看出，以铵盐作为含氮添加剂脱胶后的精干麻 残胶率要低于以硝酸盐作为含氮添加剂脱胶后的残 胶率。罗布麻胶质中的果胶和半纤维素为五碳糖、 六碳糖及其杂聚多糖，自然界中能够分解这些物质 的微生物较多。而木质素则很难被微生物分解，自 然界中能够分解木质素的细菌较少，现在分离出的 只有白腐菌和黑腐菌，它们6 个月只能分解木质素 的1 3 。因此，木质素利用微生物进行分解在工业上 意义不大。经检测可知，利用以上方法脱胶得到的 精干麻的残胶绝大多数为木质素，但再次经过较低

14、 强度的碱处理可使残胶率充分下降，从而可满足后 续纺纱加工的要求。 表1 精干麻残胶率 下面利用生物学理论来论证不同含氮添加剂对 细菌生长量的影响。 3 微生物生长量 微生物生长量是指经生物胞外酶作用去除单位 数量麻胶所形成的微生物细胞物质的数量。麻胶经 生物酶作用后对微生物的生长主要起到2 个作用， 一是提供微生物生命活动所必需的能量；二是提供 细胞合成所必需的碳元素。若用九表示提供能量 的那部分麻胶，用疋表示提供合成细胞物质所需碳 元素的那部分麻胶，且正+ = 1 ，这样，六就可以作 为衡量微生物生长量的指标。则合成单位数量 ( 1 2 0m 0 1 ) 的细胞物质所需提供能量的麻胶数量

15、A = fe | 8 ， 六= 1 ( 1 + A ) ( 1 ) 合成单位数量( 1 2 0m 0 1 ) 的细胞物质所需提供 能量的麻胶数量A 的计算公式为 A ：一竺坐上笔粤卫型 ( 2 ) n 。凸b 式中，n 为整个代谢过程中平均的效率因子，对于不 同的呼吸系统，凡的取值范围不同，在好氧呼吸系统 中，一般取n 为0 6 - 3 。；A G 。为将麻胶转化为丙酮酸 所产生的A T P 化学能；A G 。为将其它非氨态氮元素 转化为氨所需要的A T P 化学能；G ，为单位数量的 麻胶完全氧化为二氧化碳和水所释放的自由能。 式( 2 ) 中各能量的值可由文献 2 ，3 提出的半反应式 的

16、自由能变化计算得到。 对于不同的含氮添加剂按式( 1 ) 、( 2 ) 可以求出 微生物生长量并对其加以比较。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【3 2 】纺织学报第2 7 卷 4 半反应技术 半反应技术在生物系统中的应用经大量的试验 证明是有效的。半反应式可使氧化还原反应过程更 加直观，是利用电子的得失平衡对反应过程进行描 述，一般对得失电子分别进行描述。由微生物参与 的反应系统可以写出3 个半反应式：一个为细胞物 质的合成半反应式( R c )

17、 ，另一个为电子供体( 胶质) 的氧化半反应式( R d ) ，还有一个为电子受体( 氧气) 的还原半反应式( R a ) 。为了便于它们的结合都以 单位电子为基础列出方程式，且电子数在反应式的 右边Ho 。麻胶中的碳在产能反应中，最终全部成为 细胞物质。 罗布麻的胶质从结构上来说主要为碳水化合 物，这些物质的化学通式可以用C H ，O 来表示。本 文涉及到的各种半反应式如下。 微生物细胞物质( C ，H 7 N O ：) 合成的半反应方 程式： 1 2 0C 5 H 7 N 0 2 + 9 2 0H 2 0 = 1 5C 0 2 + 1 2 0H C 0 3 一+ 1 2 0N H 4 +

18、+ H + + e 一 电子受体( 0 ，) 还原的半反应方程式： 1 1 2H 2 0 = 1 40 2 + H + + e 一 G 。= 7 81 7 4J 麻胶( C H ，0 ) 氧化的半反应方程式： 1 4C H 2 0 + 1 4H 2 0 = 1 4C 0 2 + H + + e 一 G 。= 一4 18 6 0J 胶质生物降解中间产物丙酮酸( C H ，C O C O O H ) 氧化的半反应方程式： 1 1 0C H 3 C O C 0 0 一+ 2 5H 2 0 = 1 1 0H C 0 3 一+ H + + e 一 G 。= 一3 57 6 9J 硝态氮( N O ，一)

19、 还原为氨氮( N H 4 + ) 的半反应方 程式： 1 8N H 4 + + 3 8H 2 0 = 1 8N 0 3 一+ 5 4H + + e 一 G 。= 3 45 1 4J 4 1 用铵盐作为含氮添加剂 N 元素为一3 价，可以被微生物直接吸收利用， 不需要消耗N 元素价态转变所使用的能量，此时化 学能的转变如下所示。 A G 。= 一4 18 6 0J 一( 一3 57 6 9J ) = 一60 9 1J G ，= 一4 18 6 0J 一7 81 7 4J = 一1 2 00 3 4J A G 。= 0 ，n = 0 6 ，则： A = 0 3 8 4 = 1 ( 1 + 0 3

20、 8 4 ) = 0 7 2 3 4 2 用硝酸盐作为含氮添加剂 N 元素为+ 5 价，不能被微生物直接利用，为使 N 元素能被微生物直接利用，需将+ 5 价的N 转变 成一3 价的N ，此时化学能的转变如下所示。 1 2H 2 0 = 1 40 2 + H + + e 1 + 7 81 7 4J 1 1 8N H 4 + + 3 8H 2 0 = 1 1 8N 0 3 一十5 4H + + e 一+ 3 45 1 4J 所以，1 8N 0 3 一+ 1 1 4H + + 1 1 8H 2 0 = 1 40 2 + 1 1 8N H 4 + + 4 36 6 0J ( 3 ) 由于式( 3 )

21、 包含1 8m o l 的N ，而细胞合成式中 只有1 2 0m o l 的N ，因此 G 。= 4 36 6 0JX8 2 0 = 1 74 6 4J A G 。= 一4 18 6 0J 一( 一3 57 6 9J ) = 一60 9 1J G 。= 一4 18 6 0J 一7 81 7 4J = 一1 2 00 3 4J n = 0 6 ，则 A = 0 7 8 8 = 1 ( 1 + 0 7 8 8 ) = 0 5 5 9 由以上计算结果比较可知，以铵盐作为含氮添 加剂时，细菌的生长量比以硝酸盐作添加剂约高 2 9 ( 0 7 2 3 0 5 5 9 ) 0 5 5 9 1 0 0 。

22、5结论 理论分析与试验结果表明，好氧微生物在有氧 条件下以铵盐作为含氮添加剂时，细菌的生长量比 以硝酸盐作为含氮添加剂时约高2 9 。由于微生 物生长量增多，微生物所产生的胞外酶将增加。所 以，脱胶效果将更好。从试验结果也可以看出，以铵 盐作为含氮添加剂的脱胶效果( 残胶率1 4 1 ) 要 好于以硝酸盐作为含氮添加剂的脱胶效果( 残胶率 1 5 ) 。F Z X B 参考文献： 1 陆德源医学微生物学 M 北京：人民卫生出版社， 1 9 9 5 2 3 2 L e s l i eCP ，G r a d yJR ，H e n r yCL i m B i o l o g i c a lW a s

23、 t e w a t e r T r e a t m e n t ，T h e o r ya n dA p p l i c a t i o n M N e wY o r k a n d B a s e l ：M a r c e lD e k k e rI n c ，1 9 8 0 2 3 0 2 5 5 ，2 6 9 3 0 0 3J D r o s t eRL E f f e c to fn i t r o g e no ny i e l du s i n gb i o e n e r g e t i c t h e o r y J J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 2 ，1 1 8 ( 5 ) ：8 1 5 8 2 0 4 李建武生物化学 M 北京：北京大学出版社，1 9 9 3 8 2 ，1 4 8 1 7 0 5 复旦大学，武汉大学微生物学 M 北京：人民教育 出版社，1 9 7 9 9 0 1 0 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark