CN101230326B - 一种生物除铁除锰功能菌 - Google Patents

Abstract

一种生物除铁除锰功能菌，它涉及一种微生物。它解决了目前生物氧化除锰工程菌群靠自然选择建立，生化能力弱、除锰效果差；水处理除锰生物滤池的建立所需培养、驯化、启动时间长和工程菌群遭到破坏后恢复周期长的问题。生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)属于金黄杆菌属，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期为2007年10月30日，保藏号为CGMCC No.2239；菌株MSB-4为好氧菌，长为1.5～2μm，宽为0.8～1.1μm，短杆状细胞，两端钝圆；在培养基上形成棕黄色菌落，不透明，菌落为圆形；菌株MSB-4具异染颗粒和类脂粒，无芽胞，N，N，N’，N’-四甲基对苯二胺染色为阳性。本发明生物除铁除锰功能菌MSB-4具有去除水中Mn²⁺、Fe²⁺的能力，Mn²⁺去除率高达94.44％，Fe²⁺去除率高达90.13％。

Description

一种生物除铁除锰功能菌

技术领域

本发明涉及一种微生物。

背景技术

水体中铁的去除工艺较为成熟，单纯具有除铁功能的工程菌也比较多，但铁和锰是地壳中含量丰富的金属元素，仅将铁去除远远不能满足现有的水处理标准。普通水体中锰离子的浓度为0.1～1mg/L，而厌氧地下水中溶解性的锰离子浓度可高达7～9mg/L。可溶性锰经充氧曝气能够生成不溶性沉淀物(如MnO₂或MnOOH)。

MnO₂是高度不可溶物质(δ-MnO₂的溶解度kso仅为10^-56)，呈深黑色，可导致供饮用的地下水出现明显的色度；因此饮用水中的锰必须去除。我国规定饮用水中锰离子的最高浓度为0.1mg/L，而欧盟已将饮用水中锰离子的最高浓度确定为0.05mg/L。

地下水中可溶性Mn(II)的去除通常伴随着锰离子的氧化、沉淀以及不溶性氧化产物的过滤分离。锰离子发生的非生物氧化反应如下：

$-\frac{d\left[\mathrm{Mn}\left(\mathrm{II}\right)\right]}{\mathrm{dt}}=k_0\left[\mathrm{Mn}\left(\mathrm{II}\right)\right]+k_1\left[\mathrm{Mn}\left(\mathrm{II}\right)\right]\left[\mathrm{Mn}{O}_x\right]$

表明Mn(II)的氧化伴随着MnO_X的自催化反应，这种自催化作用在饮用水锰处理工艺中较为重要。

Mn(II)非生物氧化由氧作电子供体，通常在pH值大于9的条件下完成，低于9的pH条件下氧化反应速度极慢。绝大多数的饮用水pH在6～8之间，这种pH条件下Mn(II)不会发生氧化反应；因此饮用水中的锰不能通过简单的曝气和沉淀法去除。若加入化学药剂(如KMnO₄和ClO₂)虽然除锰效果较为理想，但增加了工艺运行费用、反应残留物和生成的副产物，引起二次污染。

生物氧化除锰具有良好的应用前景，但是目前生物氧化除锰主要利用自然选择建立工程菌群，因此工程菌群生化能力弱、除锰效果差，而且水处理过滤速度慢、不能超过10m/h。现有水处理除锰生物滤池的建立所需培养、驯化和启动时间长；一旦工程菌群遭到破坏(中毒等原因导致工程菌死亡)其恢复周期长，在此期间出水中锰含量剧增、出水质量难以保证，致使该水处理设施不能正常运转，严重的将威胁人民群众的正常生活和生态环境。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前生物氧化除锰工程菌群靠自然选择建立，生化能力弱、除锰效果差；水处理除锰生物滤池的建立所需培养、驯化、启动时间长和工程菌群遭到破坏后恢复周期长的问题，而提供的一种生物除铁除锰功能菌。

生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)属于金黄杆菌属，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，保藏地址是北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为2007年10月30日，保藏号为CGMCC No.2239；生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)为好氧菌，长为1.5～2μm，宽为0.8～1.1μm，短杆状细胞，两端钝圆，多个细菌聚集或呈链状排列，形成菌胶团，有共同的荚膜；在培养基上形成棕黄色菌落，不透明，菌落为圆形，二分裂生殖；生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)具有能量贮存颗粒，无芽胞，N，N，N’，N’-四甲基对苯二胺(TMPD)染色为阳性。

生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)能在pH值为7～10的环境中生长，具有淀粉酶、氧化酶和硝酸盐还原性，不具有脂肪酶、色氨酸酶和脱氨酶。

生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)有脂质颗粒聚β-羟基丁酸(PHB)和异染颗粒聚合磷酸盐(Poly-P)，脂质颗粒PHB和异染颗粒Poly-P都属于能量贮存颗粒，因此生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)可以适应低温、贫营养生长环境，具有恶劣环境适应能力强的优点。

本发明生物除铁除锰功能菌MSB-4通过16S rDNA基因序列比对分析与其最相近的种属是金黄杆菌属的Chryseobacterium sp.TM3-8，同源性为99％，因此被命名为Chryseobacterium sp.。

本发明生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)不但能去除水中的Mn²⁺，还能去除水中的Fe²⁺，Mn²⁺去除率高于94.44％，Fe²⁺去除率高于90.13％。本发明生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)的生化能力强、除锰效果好，可以直接投入使用，不仅缩短了水处理除锰生物滤池的建立时间，也可加快过滤速度，并且缩短了工程菌群遭到破坏后的恢复周期，可以在短暂的3～4小时内恢复水处理设施正常运行，保证了出水的质量。

Chryseobacterium sp.属于金黄杆菌属(Chryseobacterium)保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，保藏地址是北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为2007年10月30日，保藏号为CGMCC No.2239。

附图说明

图1是生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)的原子力显微镜图片；图2是生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)的原子力显微镜图片；图3是生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)中脂质颗粒染色后观察图；图4是生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)中异染颗粒染色后观察图；图5是生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)去除水中Mn²⁺的时间曲线图；图6是生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)去除水中Fe²⁺的时间曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)属于金黄杆菌属，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，保藏日期为2007年10月30日，保藏号为CGMCC No.2239；生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)为好氧菌，长为1.5～2μm，宽为0.8～1.1μm，短杆状细胞，两端钝圆(如图1和图2所示)，多个细菌聚集或呈链状排列，形成菌胶团，有共同的荚膜；在培养基上形成棕黄色菌落，不透明，菌落为圆形，二分裂生殖；生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)具有能量贮存颗粒，无芽胞，N，N，N’，N’-四甲基对苯二胺(TMPD)染色为阳性。

生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)能在pH值为7～10的环境中生长，具有淀粉酶、氧化酶和硝酸盐还原性，不具有脂肪酶、色氨酸酶和脱氨酶。

生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)趋向于形成3～5个或更多的细胞组成的链。

具体实施方式二：本实施方式生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)是从辽宁省沈阳市张士生物除锰水厂的生物除锰滤池曝气池壁取泥中筛选得到的。筛选用1L培养基由0.8g蛋白胨、0.2g酵母浸膏，0.1g MnSO₄.H₂O，0.1g K₂HPO₄，0.2g MgSO₄·7H₂O，0.2g NaNO₃，0.1g CaCl₂，0.1g(NH₄)₂CO₃，0.01g FeSO₄·7H₂O和余量的蒸馏水制成；然后灭菌。

本实施方式采用平板划线与平板涂布法相结合进行分菌，采用TMPD法(Vandenabeele J，D de Beer et al.Manganese oxidation by microbial consortiafrom sand filters.Microb.Ecol.1992，24：91-108.)对分离所得菌种进行初筛。本实施方式采用TMPD法的原理是N，N，N′，N′-四甲基对苯二胺(N，N，N′，N′-Tetramethyl-p-Phenylenedia，TMPD)可与四价锰反应生成蓝色物质Wurster Blue，利用分光光度法通过测Wurster Blue在420nm处的OD值可推知菌落具有Mn²⁺氧化能力的强弱(菌落无颜色变化的为阴性、无生物除锰功能)。

本实施方式生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)16S rDNA测序工作由生物工程公司完成；其中PCR扩增正向引物BSF8/20：5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’，反向引物BSR1541/20：5’-AAGGAGGTGATCCAGCCGCA-3’。本实施方式生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)16S rDNA序列如SEQ ID NO.1所示。

本实施方式生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)生理生化分析结果如表1所示。

表1生物除铁除锰功能菌MSB-4生理生化分析结果

生理生化实验结果表明生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)是好氧菌，适于在偏碱性水环境生长；具淀粉酶和氧化酶；不具有脂肪酶、色氨酸酶、脱氨酶；没有发酵葡萄糖产生乙酰四基甲醇的能力；不能在糖代谢过程中分解葡萄糖产生丙酮酸；生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacteriumsp.)有脂质颗粒聚β-羟基丁酸(PHB)和异染颗粒聚合磷酸盐(Poly-P)，脂质颗粒PHB和异染颗粒Poly-P都属于贮存颗粒。生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)中脂质颗粒染色后观察图如图3所示，生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)中异染颗粒染色后观察图如图4所示。

生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)的发酵上清液具有较高的除锰活性，试验表明生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)能够分泌大量的除锰胞外蛋白酶。

接菌培养生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)，液体培养液pH值为7.5，在12℃的条件下培养48h，然后向培养液中加入Mn²⁺溶液使培养液中Mn²⁺的浓度为5.6mg/L，液体培养液中Mn²⁺的浓度随时间的变化曲线如图5所示；在12～24h期间，Mn²⁺去除率迅速升高，达80％。，直到48h后趋于稳定，Mn²⁺去除率达到94.44％。

接菌培养生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)，液体培养液pH值为7.5，在12℃的条件下培养48h，然后向培养液中加入Fe²⁺溶液使培养液中Fe²⁺的浓度为，14mg/L，液体培养液中Fe²⁺的浓度随时间的变化曲线如图6所示；在12h内，Fe²⁺去除率迅速增高，去除率高达81％，Fe²⁺浓度由14mg/L降至2.66mg/L。24h后，去除率趋于稳定，Fe²⁺去除率达到90.13％。

实验证明，生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)属具除铁除锰功能的好氧菌种，具异染颗粒、类脂粒，易形成菌胶团，对外界不良环境具有较强抗性。MSB-4具有较高的铁锰去除率，对Fe²⁺去除率高达90.13％，Mn²⁺去除率高达94.44％。

序列表

<110>哈尔滨工业大学

<120>一种生物除铁除锰功能菌

<160>3

<210>1

<211>1515

<212>DNA

<213>生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)

<220>

<223>生物除铁除锰功能菌MSB-4 16S rDNA基因序列

<400>1

gataaggagg tgatccagcc gcaccttccg gtacggctac cttgttacga cttagcccta 60

gttacttgtt ttaccctagg cagctcctgt tacggtcacc gacttcaggt accccaaact 120

tccatggctt gacgggcggt gtgtacaagg cccgggaacg tattcaccgc atcatggctg 180

atatgcgatt actagcgatt ccagcttcat agagtcgagt tgcagactcc aatccgaact 240

gagaccggct ttcgagattc gcatcctatc gctaggtagc tgccctctgt accggccatt 300

gtattacgtg tgtggcccaa ggcgtaaggg ccgtgatgat ttgacgtcat ccccaccttc 360

ctctctactt gcgtaggcag tctcactaga gtccccaact gaatgatggc aactagtgac 420

aggggttgcg ctcgttgcag gacttaacct aacacctcac ggcacgagct gacgacaacc 480

atgcagcacc ttgaaaattg tccgaagaaa agtctatttc taaacctgtc aattcccatt 540

taagccttgg taaggttcct cgcgtatcat cgaattaaac cacataatcc accgcttgtg 600

cgggcccccg tcaattcctt tgagtttcat tcttgcgaac gtactcccca ggtggctaac 660

ttatcacttt cgcttagtct ctgaatccga agacccaaaa acgagttagc atcgtttacg 720

gcgtggacta ccagggtatc taatcctgtt cgctccccac gctttcgtcc atcagcgtca 780

gttaaaacat agtgacctgc cttcgcaatt ggtgttctaa gtaatatcta tgcatttcac 840

cgctacacta cttattccag ccacttctac tttactcaag acctgcagta tcaatggcag 900

tttcatagtt aagctatgag atttcaccac tgacttacag atccgcctac ggacccttta 960

aacccaataa atccggataa cgcttgcacc ctccgtatta ccgcggctgc tggcacggag 1020

ttagccggtg cttattcgta tagtaccttc agctttccac acgtggaaag gtttatccct 1080

atacaaaaga agtttacaac ccatagggcc gtcgtccttc acgcgggatg gctggatcag 1140

gctctcaccc attgtccaat attcctcact gctgcctccc gtaggagtct ggtccgtgtc 1200

tcagtaccag tgtgggggat caccctctca ggccccctaa agatcactga cttggtaggc 1260

cgttacccta ccaactatct aatcttgcgc gtgcccatct ctatccaccg gagttttcaa 1320

taaaaaacga tgccgtttct tatattatgg ggtattaatc ttcctttcga aaggctatcc 1380

ccctgataaa ggcaggttgc acacgtgttc cgcacccgta cgccgctctc tctattccga 1440

agaataaata ccgctcggct tgcatgtgtt aggcctcccg ctagcgttca tcctgagcca 1500

ggatcaaact ctaat                                                  1515

<210>2

<211>20

<212>DNA

<213>人工序列

<220>

<223>根据E.coli 16S rRNA基因8～20bp设计PCR扩增正向引物BSF8/20序列。

<400>2

agagtttgat cctggctcag 20

<210>3

<211>20

<212>DNA

<213>人工序列

<220>

<223>根据E.coli 16S rRNA基因1520～1541bp设计PCR扩增正向引物BSR1541/20序列。

<400>3

aaggaggtga tccagccgca 20

Claims (2)

1.一种生物除铁除锰功能菌，其特征在于生物除铁除锰功能菌MSB-4(Chryseobacterium sp.)属于金黄杆菌属，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期为2007年10月30日，保藏号为CGMCCNo.2239；生物除铁除锰功能菌MSB-4为好氧菌，长为1.5～2μm，宽为0.8～1.1μm，短杆状细胞，两端钝圆，多个细菌聚集或呈链状排列，形成菌胶团，有共同的荚膜；在培养基上形成棕黄色菌落，不透明，菌落为圆形，二分裂生殖；生物除铁除锰功能菌MSB-4具有能量贮存颗粒，无芽胞，N，N，N’，N’-四甲基对苯二胺染色为阳性。

2.根据权利要求1所述的一种生物除铁除锰功能菌，其特征在于生物除铁除锰功能菌MSB-4能在pH值为7～10的环境中生长，具有淀粉酶、氧化酶和硝酸盐还原性，不具有脂肪酶、色氨酸酶和脱氨酶。

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