本發明涉及一株快速降解污水中氮素的菌株及其應用,屬于環境工程技術領域。
背景技術:
近幾十年來人們逐漸重視環境保護,國家加大力度對污染水體進行防治,但多年來河流、湖泊等污染未能得到有效地遏制,水體污染負荷不斷增加,富營養化問題仍然嚴重,飲用水安全依然受到威脅。
從以下兩方面來分析:
第一,從點源污染來看,工業企業和污水處理廠仍然存在尾水或中水氮排放不達標、排放標準不完善和監管力度不足等問題,亟待解決開發除氮技術體系、完善排放標準和加大監管力度。
隨著污水處理廠納污范圍擴大,一些工業污水也被納入污水處理廠,污染物成分復雜多樣,氮磷等營養鹽濃度過高等問題頻頻出現,現有的工藝基本未設置脫氮除磷的深度處理。此外,隨著污水量的增加,污水處理廠已超出自己的原定處理能力,影響了污水處理設施的正常運行,導致出水中的氮、磷等超標排放。因此,急需開發脫氮除磷深度處理工藝和提高污水處理廠的處理能力。污水處理廠中污水的主要污染物是懸浮顆粒物、有機物、磷和氮,前三者一般通過強化生化反應、化學絮凝沉淀等方法去除,效果較為顯著,但對總氮的去除較難達到一級A標準。主要原因是總氮的去除多數通過微生物的反硝化過程來實現,而污水中的碳氮比、溫度、pH等對反硝化微生物的生長、增殖和反硝化過程的效率影響較大,不利的條件導致水體總氮去除效果不理想,由此可見總氮很難實現高效去除。目前,為了改善除氮條件或直接加快氮的去除,涌現了大量脫氮新技術和新工藝的研究,如為優化碳源分配而改良的工藝(倒置A2/O工藝、改良A2/O工藝、UCT工藝、改良UCT工藝)、增設反硝化濾池、硝化/反硝化兩級生物濾池、膜技術、膜生物反應器技術、新型過濾、吸附、混凝、沉淀、氣浮、消毒等工藝,各工藝都有其特點和不足之處,還尚未出現在經濟和效果方面均令人滿意的技術。
第二,從面源污染看,農業生產活動、畜禽養殖、水產養殖和農村居民生活等廢棄物通過地表徑流、壤中流、農田排水和地下滲漏進入水體,對水體造成嚴重的污染。尤其是農業生產中施用過量的化肥、處置不當的畜禽糞便、高密度水產養殖及投加過量的飼料、居民生活區的廚余垃圾和廁所的糞尿等均會造成水體氮污染。面源污染具有污染源分散且點多、污染范圍廣、污染物量大、污染物成分及過程更復雜等特點,因此氮素污染更加難以控制。現多采用減少化肥施用量、生活污水集中處理、帶狀農作、作物輪作、保護性耕作、恢復和重建濱岸帶生態系統等綜合措施,因地制宜采取不同方式從源頭控制、途徑消減和末端治理多管齊下來實現氮污染的降低。
綜上,由于氮污染物來源廣泛、污染途徑及過程復雜、傳統的脫氮技術處理效果不高、新的脫氮技術難以實現規模化應用等原因,由此可見氮污染是難以控制,而且解決氮污染也是相當困難的。氮是導致水體污染的一類重要污染物,可引起水體的富營養化等眾多環境污染問題。生物脫氮是目前污水脫氮處理中最常用也是最有效的方法,而選取具有脫氮功能的菌株是生物脫氮的基礎。
技術實現要素:
為了解決污水中氮素難以處理的問題,本發明篩選得到了一株能快速降解污水中氮素的菌株并將其用于污水處理,為污水中降解氮素提供了一種新的方法。本發明從污染的河道的污泥中經過多次反復篩選,最終分離出一株具有顯著脫氮功能的菌株,選取這株菌,對其進行形態觀察、生物學特性研究并確定其分類地位,并優化其生長培養基,經16SrRNA鑒定確定這株菌為脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)。
本發明的脫氮副球菌:
(1)是一種兼性細菌,在好氧或缺氧條件下均能生存和生長,但其特性主要體現在好氧方面,其在氧氣充足時生長快速,在氧氣缺乏時生長緩慢。
(2)無論在好氧還是缺氧條件下,脫氮副球菌的適宜生長溫度均為30℃,適宜生長的pH值均為7.0。此溫度與pH范圍非常有利于脫氮副球菌在污水凈化領域的實踐應用。
(3)脫氮副球菌可以在好氧條件下進行反硝化作用,反硝化過程主要發生在菌體生長的對數期。在葡萄糖、甲醇、乙酸鈉、酒石酸鉀鈉和丙三醇這5種碳源中,利用度最佳的碳源是葡萄糖,最適碳氮摩爾比為10~20。
本發明的第一個目的是提供一株好氧反硝化脫氮副球菌,脫氮副球菌DYTN-1,已于2016年12月9日保藏于中國典型培養物保藏中心,保藏編號為CCTCC NO:M 2016741,保藏地址為中國武漢武漢大學。
所述脫氮副球菌DYTN-1經革蘭氏染色確定為革蘭氏陰性菌,平板培養基菌落呈乳黃色,圓形凸起,邊緣整齊光滑。平板培養基菌落形態見圖1。
所述脫氮副球菌DYTN-1的16SrRNA序列如SEQ ID NO:1所示。
所述脫氮副球菌DYTN-1在無氧與有氧條件下均能生長并進行無氧反硝化與有氧反硝化,還能夠同時實現硝化作用與反硝化作用。
所述脫氮副球菌DYTN-1利用廉價碳源(葡萄糖或者含COD的污水等),工業污水(含氮污水)作為氮源進行脫氮降解率的測定,脫氮副球菌DYTN-1在溫度28℃~35℃,pH 6.5~7.5的條件下活性穩定,氮素降解率高于85%。
所述脫氮副球菌DYTN-1,能夠直接利用自然條件下的不經過抽濾和滅菌的污水,接種48h即可降解77%的氮素。
所述脫氮副球菌DYTN-1應用于污水處理的最佳操作條件為:溶解氧(DO)為0.5mg/L~5.0mg/L,碳氮摩爾比為15~20,溫度30℃,pH=7.0。
本發明的第二個目的是提供含有所述脫氮副球菌DYTN-1菌株的微生物菌劑。
在本發明的一種實施方式中,所述微生物菌劑含有脫氮副球菌DYTN-1菌體的活細胞、冷凍干燥得到的脫氮副球菌DYTN-1干菌體、固定化的脫氮副球菌DYTN-1細胞、脫氮副球菌DYTN-1的液體菌劑、脫氮副球菌DYTN-1的固體菌劑,或者以其他任何形式存在的脫氮副球菌DYTN-1菌株。
本發明的第三個目的是提供所述脫氮副球菌DYTN-1菌株或者含有所述脫氮副球菌DYTN-1菌株的微生物菌劑的應用。
在本發明的一種實施方式中,所述應用是用于污水處理方面。
在本發明的一種實施方式中,所述應用是用于降解污水中氮素。
在本發明的一種實施方式中,所述污水處理的條件為:溶解氧(DO)為0.5mg/L~5.0mg/L,碳氮摩爾比為15~20,溫度30℃,pH=7.0。
在本發明的一種實施方式中,所述應用是先培養得到脫氮副球菌DYTN-1菌體,然后收集菌體,接種到污水中進行發酵。
在本發明的一種實施方式中,所述發酵是在30℃、200rpm振蕩條件下發酵36h。
本發明的優點和效果:
本發明脫氮副球菌DYTN-1能夠控制水體環境中對養殖生物有害的無機氮素成份,快速修復養殖水體生態環境,為水產養殖生物營造一個良好的水體環境。本發明的脫氮副球菌DYTN-1可直接應用于含硝酸鹽氮廢水的反硝化脫氮,也可以應用于含氨氮廢水的脫氮,是一株具有異養硝化—好氧反硝化性能的細菌。該菌投入使用后可以縮短系統的啟動時間,在各類廢水脫氮處理過程中具有非常廣闊的應用前景,特別適合同步硝化反硝化生物脫氮工藝過程中。
生物材料保藏
本發明的脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)DYTN-1,已于2016年12月9日保藏于中國典型培養物保藏中心,分類學命名為Paracoccus denitrificans DYTN-1,保藏編號為CCTCC NO:M 2016741,保藏地址為中國武漢武漢大學。
附圖說明
圖1是本發明的脫氮副球菌DYTN-1在平板培養基上的形態;
圖2是脫氮副球菌DYTN-1在加入葡萄糖作為碳源的工業污水中的生長曲線;
圖3是接種量為1%、2%時的脫氮副球菌DYTN-1生長曲線;
圖4是接種量為3%、4%時的脫氮副球菌DYTN-1生長曲線;
圖5是脫氮副球菌DYTN-1在河道污水(不加葡萄糖)中的生長曲線。
具體實施方案
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明,但是本發明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施,本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣,因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
實施例1:菌株的篩選
本發明菌株采用平板稀釋分離法從污泥菌群中分離篩選出能夠在有氧條件下降解氮素的菌株。
分離篩選方法如下所述:
1、混合菌種的稀釋:從淄博市博山污水處理廠取其池底污泥,將污泥溶解于去離子水中(1g污泥溶解于200ml去離子水),并進行菌種的梯度稀釋。
2、工業污水樣品的制備:取淄博市博山污水處理廠的工業污水(總氮含量約為100mg/L),過濾雜質后調節其pH=7左右。裝于三角瓶(規格為250ml)150ml加入葡萄糖0.48g(碳氮摩爾比為10),115℃滅菌30min。
3、菌種的初篩:取梯度稀釋后的菌液20微升涂于初篩固體培養基平板(丁二酸鈉4.3g,KNO31.0g,KH2PO41.0g,FeCl2·H2O 0.5g,CaCl2·H2O 0.2g,MgSO41.0g,BTB 1.0mL,水1.0L,pH7.0~7.5,按2%的比例加入瓊脂),30℃培養24h~48h,選擇培養基變藍的菌株進行純化。經過多次初篩,得到4株脫氮菌種,將其編號為DYTN-1~DYTN-4。
4、菌種的復篩:將初篩出來的4株菌接入到復篩液體培養基(丁二酸鈉4.3g,KNO31.0g,KH2PO41.0g,FeCl2·H2O 0.5g,CaCl2·H2O 0.2g,MgSO41.0g,水1.0L,pH7.0~7.5),30℃,200rpm培養24h~48h,按照國標GB11894-1989的方法測定其降解總氮的效果。
5、最優菌種的篩選:DYTN-1總氮降解率大于85%,DYTN-2總氮降解率為18.15%,DYTN-3總氮降解率為25.56%,DYTN-4總氮降解率為56.71%。最終篩選出編號DYTN-1的菌種作為脫氮效果最好的菌株,并進行下一步研究。
6、菌種的鑒定:將篩選出來的菌種DYTN-1涂布于營養肉汁瓊脂培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0),挑取單菌落利用通用引物1492R和27F進行擴增,將擴增產物交由生工生物工程(上海)有限公司進行16SrRNA測序,序列所得結果通過NCBI的Nucleotide BLAST與Genbank中的模式菌株進行同源性比對。比對結果顯示與Genbank中相關模式菌株的16sRNA有99%的相似性,確定該菌株為脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)。
圖1是本發明的脫氮副球菌DYTN-1在平板培養基上的形態圖片。脫氮副球菌DYTN-1的16SrRNA序列如SEQ ID NO:1所示。
所述脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)DYTN-1,已于2016年12月9日保藏于中國典型培養物保藏中心,保藏編號為CCTCC NO:M 2016741。
實施例2:脫氮副球菌DYTN-1的好氧反硝化性能的檢測
配制模擬污水(葡萄糖5.3g,NaNO31.5g,NaCl 3g,KH2PO41.0g,FeCl2·H2O 0.5g,CaCl2·H2O 0.2g,MgSO41.0g,H2O 1.0L,pH7.0~7.5),硝酸鹽氮初始濃度為247mg/L,碳氮摩爾比為10。從斜面上挑取1環脫氮副球菌DYTN-1接種于含有50ml營養肉汁液體培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0)的250ml三角瓶中,30℃,200rpm振蕩培養36h,5000rpm離心10min棄上清液,收集菌體。用滅過菌的模擬污水將菌體重懸,并接入含有150ml模擬污水的250ml三角瓶中,在溫度30℃,200rpm振蕩培養的條件下發酵36h,硝酸鹽氮和總氮去除率均大于97%。
實施例3:脫氮副球菌DYTN-1的異養硝化一好氧反硝化性能的檢測
配制模擬廢水1(葡萄糖5.9g,(NH4)2SO41.25g,NaCl 3g,KH2PO41.0g,FeCl2·H2O 0.5g,CaCl2·H2O 0.2g,MgSO41.0g,H2O 1.0L,pH7.0~7.5),硝酸鹽氮初始濃度為265mg/L,碳氮摩爾比為10。從斜面上挑取1環脫氮副球菌DYTN-1接種于含有50ml營養肉汁液體培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0)的250ml三角瓶中,30℃,200rpm振蕩培養36h,5000rpm離心10min棄上清液,收集菌體。用滅過菌的模擬污水1將菌體重懸,并接入含有150ml模擬污水1的250ml三角瓶中,在溫度30℃,200rpm振蕩培養的條件下發酵36h,銨鹽氮和總氮去除率均大于97%。
配制模擬廢水2(葡萄糖3.5g,尿素0.5g,NaCl 3g,KH2PO41.0g,FeCl2·H2O 0.5g,CaCl2·H2O 0.2g,MgSO41.0g,H2O 1.0L,pH7.0~7.5),硝酸鹽氮初始濃度為233mg/L,碳氮摩爾比為10。從斜面上挑取1環脫氮副球菌DYTN-1接種于含有50ml營養肉汁液體培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0)的250ml三角瓶中,30℃,200rpm振蕩培養36h,5000rpm離心10min棄上清液,收集菌體。用滅過菌的模擬污水2將菌體重懸,并接入含有150ml模擬污水2的250ml三角瓶中,在溫度30℃,200rpm振蕩培養的條件下發酵36h,有機氮和總氮去除率均大于95%。
實施例4:脫氮副球菌DYTN-1對工業污水(加入葡萄糖作為碳源)中氮素降解效果的測定
從斜面上挑取1環脫氮副球菌DYTN-1接種于含有50ml營養肉汁液體培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0)的250ml三角瓶中,30℃,200rpm振蕩培養36h,5000rpm離心10min棄上清液,收集菌體。用滅過菌的工業污水(含葡萄糖)將菌體重懸,并接入含有150ml工業污水(水中氮素含量約為100mg/L,超過GB18918-2002的排放標準)的250ml三角瓶中(污水中氮素含量約為100mg/L,碳氮摩爾比為10,加入葡萄糖0.48g),30℃,200rpm振蕩培養。
每天測定其OD600nm并按照國標GB11894-1989的方法測定其降解總氮的效果。測定五天,繪制其OD600nm處生長曲線如圖2所示,并獲得OD220nm處降解氮素趨勢。其中,根據標樣曲線方程y=0.0034x+1.4446,R2=0.9989(y為OD220nm處的數值,x為氮素含量,單位mg/L)即可得到污水氮素含量的降解情況。結果顯示,接種量為16%發酵至第二天時,氮素已經降解完全。
結果表明,脫氮副球菌DYTN-1能夠很好地在含有葡萄糖的工業污水中生長,在高接種量的情況下可以在1天左右的時間內將氮素降解完全,降解率高達100%,氮素達到排放標準(GB18918-2002一級B排放的標準為20mg/L),顯示出脫氮副球菌DYTN-1對于污水中氮素降解具有巨大潛力。
實施例5:脫氮副球菌DYTN-1的接種量對工業污水(加葡萄糖)中氮素降解效果的影響
從斜面上挑取1環脫氮副球菌DYTN-1接種于含有50ml營養肉汁液體培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0)的250ml三角瓶中,30℃,200rpm振蕩培養36h,5000rpm離心10min棄上清液,收集菌體。用滅過菌的工業污水(含葡萄糖)將菌體重懸,并接入含有150ml工業污水的250ml三角瓶中(污水中氮素含量約為100mg/L,碳氮摩爾比為10,加入葡萄糖0.48g),30℃,200rpm振蕩培養。
測定其OD600nm并按照國標GB11894-1989的方法測定其降解總氮的效果,繪制其OD600nm處生長曲線如圖3和圖4所示(設定2個平行樣)。
根據標樣曲線方程為y=0.0042x+1.3926,R2=0.9436(y為OD220nm處的數值,x為氮素含量,單位mg/L),獲得了接種量為1%(體積百分比)、2%(體積百分比)時的脫氮副球菌DYTN-1對工業廢水中的氮素降解情況(分別設定2個平行樣)。結果顯示:接種量為1%時,發酵至第二天時,氮素降解率為44.26%,第四天時氮素降解率為72.59%;接種量為2%時,發酵至第二天時,氮素降解率為73.07%,第四天時氮素降解率為89.35%。根據標樣曲線方程為y=0.00545x+1.6397,R2=0.9698(y為OD220nm處的數值,x為氮素含量,單位mg/L),獲得了接種量為3%(體積百分比)、4%(體積百分比)時的脫氮副球菌DYTN-1對工業廢水中的氮素降解情況(分別設定2個平行樣)。結果顯示:接種量為3%且發酵24h時,氮素已經降解完全,;接種量為4%且發酵48后氮素已經降解完全。
綜上結果表明,脫氮副球菌DYTN-1降解氮素的時間與接種量有顯著的關系。接種量為1%~2%時,需要4-5天氮素可被降解至排放標準(GB18918-2002一級B排放的標準為20mg/L),接種量為3%、4%時,分別需要1天、2天時間氮素可被降解至排放標準(GB18918-2002一級B排放的標準為20mg/L)。
實施例6:脫氮副球菌DYTN-1對河道污水(不加葡萄糖)中氮素降解效果的測定
從斜面上挑取1環脫氮副球菌DYTN-1接種于含有50ml營養肉汁液體培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0)的250ml三角瓶中,30℃,200rpm振蕩培養36h,5000rpm離心10min棄上清液,收集菌體。用滅過菌的河道污水(水中氮素含量約為30mg/L,超過GB18918-2002的排放標準)將菌體重懸,并接入含有150ml河道污水(COD約為100mg/L,BOD5約為70mg/L,SS約為30mg/L,TN約為50mg/L)的250ml三角瓶中,污水中氮素含量約為10mg/L,30℃,200rpm振蕩培養。測定其OD600nm并按照國標GB11894-1989的方法測定其降解總氮的效果,繪制其OD600nm處生長曲線如圖5所示。根據標樣曲線方程為y=0.0042x+1.3926,R2=0.9436(y為OD220nm處的數值,x為氮素含量,單位mg/L),計算可得污水氮素含量的降解情況,結果顯示:接種量為16%時,發酵至第二天時,氮素降解率為98.3%。
結果表明,在污水污染較輕的水體中,高接種量的脫氮副球菌DYTN-1能夠利用水體中的有機物進行生長,并迅速降解氮素,達到排放標準(GB18918-2002一級B排放的標準為20mg/L)。
實施例7:自然條件下,脫氮副球菌DYTN-1對工業污水(加葡萄糖)中氮素降解效果的測定
從斜面上挑取1環脫氮副球菌DYTN-1接種于含有50ml營養肉汁液體培養基(蛋白胨10.0g,牛肉浸取物3.0g,氯化鈉5.0g,瓊脂15.0g,蒸餾水1L,pH=7.0)的250ml三角瓶中,30℃,200rpm振蕩培養36h,5000rpm離心10min棄上清液,收集菌體。用自然條件下(污水不經過抽濾和滅菌,直接接入菌種)的工業污水(含葡萄糖)將菌體重懸,并接入含有150ml工業污水的250ml三角瓶中(污水中氮素含量約為100mg/L,碳氮摩爾比為10,加入葡萄糖0.48g),30℃,200rpm振蕩培養。測定其OD600nm并按照國標GB11894-1989的方法測定其降解總氮的效果,測定其發酵前三天的樣品。根據標樣曲線方程為y=0.00475x+1.2663,R2=0.9782(y為OD220nm處的數值,x為氮素含量,單位mg/L),可得污水氮素含量的降解情況,結果顯示:接種量為1%時,發酵24h、48h的氮素降解率分別為21.01%、57.51%;接種量為3%時,發酵24h、48h的氮素降解率分別為30.96%、76.30%。
結果表明,在自然狀態下,氮素的降解率與菌種的接種量有著密切的關系,接種量為3%時,發酵48h時氮素降解率可達77%左右,氮素含量達到排放標準(GB18918-2002一級B排放的標準為20mg/L)說明在自然的操作條件下,脫氮副球菌DYTN-1適應環境的能力非常好,可以簡單有效地應用于工業污水中氮素的快速降解。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上,但其并非用以限定本發明,任何熟悉此技術的人,在不脫離本發明的精神和范圍內,都可做各種的改動與修飾,因此本發明的保護范圍應該以權利要求書所界定的為準。
序列表
<110> 江南大學
<120> 一株快速降解污水中氮素的菌株及其應用
<160> 1
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1091
<212> DNA
<213> 16SrRNA
<400> 1
caggggcggc agctacacat gcagtcgagc gaacccttcg gggttagcgg cggacgggtg 60
agtaacgcgt gggaatatgc cctttgctac ggaatagccc cgggaaactg ggagtaatac 120
cgtatacgcc ctttggggga aagatttatc ggcaaaggat tagcccgcgt tggattaggt 180
agttggtggg gtaatggcct accaagccga cgatccatag ctggtttgag aggatgatca 240
gccacactgg gactgagaca cggcccagac tcctacggga ggcagcagtg gggaatctta 300
gacaatgggg gcaaccctga tctagccatg ccgcgtgagt gatgaaggcc ctagggttgt 360
aaagctcttt cagctgggaa gataatgacg gtaccagcag aagaagcccc ggctaactcc 420
gtgccagcag ccgcggtaat acggaggggg ctagcgttgt tcggaattac tgggcgtaaa 480
gcgcacgtag gcggaccgga aagttggggg tgaaatcccg gggctcaacc tcggaactgc 540
cttcaaaact atcggtctgg agttcgagag aggtgagtgg aattccgagt gtagaggtga 600
aattcgtaga tattcggagg aacaccagtg gcgaaggcgg ctcactggct cgatactgac 660
gctgaggtgc gaaagcgtgg ggagcaaaca ggattagata ccctggtagt ccacgccgta 720
aacgatgaat gccagtcgtc gggcagcatg ctgttcggtg acacacctaa cggattaagc 780
attccgcctg gggagtacgg tcgcaagatt aaaactcaaa ggaattgacg ggggcccgca 840
caagcggtgg agcatgtggt ttaattcgaa gcaacgcgca gaaccttacc aacccttgac 900
atcgcaggac cgctccagag atggagtttt ctcgtaagag acctgtggac aggtgctgca 960
tggctgtcgt cagctcgtgt cgtgagatgt tcgggttaag tcccggcaac gagcgcaacc 1020
cacactctta gttgccagca tttggttggg gcactctaag agaactgccg atgatagtcg 1080
gaggaacgtg g 1091