CN102676430A

CN102676430A - 一株同时具有反硝化和铁还原功能的脱氮副球菌及其培养方法和应用

Info

Publication number: CN102676430A
Application number: CN2012101445431A
Authority: CN
Inventors: 张玉; 李宁; 董西洋; 陈明翔; 周集体
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明属于环境生物技术领域，涉及一株具有异养反硝化、自养反硝化和铁还原功能的脱氮副球菌及其培养方法和应用。该细菌为脱氮副球菌ZGL1，保藏号为CCTCC M 2012158，不仅能够完成异养反硝化和自养反硝化过程（包括硫自养反硝化和铁自养反硝化），还可以有效还原三价铁。在废气治理中，用同一菌株在BioDeNOX脱硝工艺中同时实现Fe(II)EDTA-NO的还原和Fe(II)EDTA的再生，达到连续脱硝的目的，能耗低、投资和运行费用少。在废水处理中，该菌不仅可以通过异养反硝化的过程脱除废水中的硝酸盐和亚硝酸盐，还能够通过硫自养反硝化和铁自养反硝化过程进行废水脱氮，成本较低，工艺简单。

Description

一株同时具有反硝化和铁还原功能的脱氮副球菌及其培养方法和应用

技术领域

本发明属于环境生物技术领域，具体涉及一株具有异养反硝化、自养反硝化（铁自养反硝化和硫自养反硝化）和铁还原功能的脱氮副球菌ZGL1及其培养方法和应用。

背景技术

近些年来，我国在大气污染控制方面取得显著的成绩，总颗粒物的排放量得到基本控制，SO₂的排放量有所下降，但氮氧化物（NO_X）的排放量居高不下，并且随着我国经济的持续发展和能源消费的增长而有上升的趋势。“十一五”期间，随着NO_X污染的不断加剧，我国经济发展和人们生活受到了严重的影响。因此，国家在“十二五”期间加大对NO_X排放的控制力度，明确将NO_X作为我国国民经济发展的约束性指标并确定了10%的减排目标。目前，脱除烟气中的NO_X技术的开发已经成为大气污染控制领域的重要内容。另外，大量的含氮废水的排放已经成为环境领域的又一威胁，含氮废水排放到水体内会引起水体富营养化，产生水华、赤潮等现象，将严重污染受纳水体且危害人体健康。因此，含氮废水的治理也是目前我国水污染防治中的重大问题。

相比于传统的化学脱硝，生物脱硝技术由于其具有运行成本小、无二次污染和处理效果好等优势，成为脱硝技术的发展趋势。在实际产生的烟气中，95%的NO_X为NO，而NO在水中的溶解度很低，从而大大增加了气液传质阻力，导致直接生物法的去除效果较低。专利CN 1090985C提出了一种净化NO_X的方法，即利用化学吸收-生物还原相结合的方法（BioDeNO_X）来处理烟气中的NO，该方法利用络合吸收剂Fe(II)EDTA吸收NO，进而通过微生物作用可以使Fe(II)EDTA-NO转化为N₂，同时由于烟气中存在的氧气易将Fe(II)EDTA氧化成Fe(III)EDTA从而失去对NO的络合能力，需要再生络合吸收剂Fe(II)EDTA。在此基础上，Rajkumari Kumaraswamy等利用菌株KT-1，属于Bacillus azotoformans，能够还原Fe(II)EDTA-NO，并通过三价铁还原菌Deferribacteres再生Fe(II)EDTA（Kumaraswamy R et al,2005）。张士汉等利用自己筛选的菌株Pseudomonas sp. DN-2不仅能够还原Fe(II)EDTA-NO，还能够还原三价铁，但该菌还原三价铁的效果不是很好（Zhang SH et al, 2007）。对于用Fe(II)EDTA络合脱硝而言，经济、有效的吸收液再生方法还没有找到，这是阻碍该技术应用的重要原因。因此寻找一种能同时高效还原Fe(II)EDTA-NO和Fe(III)EDTA的细菌具有重大意义。

对于含氮废水的治理，生物脱氮技术由于其快速安全而备受青睐。传统反硝化作为生物脱氮的主要技术之一，是指反硝化细菌利用有机物作为电子供体并提供能量来还原硝酸盐。但在处理低C/N的污水中，需投加大量额外有机物来满足工艺需求，这会导致运行费用的增加。基于此，前人提出了自养反硝化的思路，即自养反硝化细菌可利用无机物作为电子供体来还原硝酸盐。相比于异养反硝化，自养反硝化由于具备以下三大优势：（1）不会存在因有机物残留导致的二次污染问题；（2）由于不需额外提供有机物，降低了成本；（3）自养菌生长速率比较缓慢，污泥产量少，降低了出水中的微生物风险。硫自养反硝化是目前研究较为广泛的自养反硝化过程，它利用硫自养反硝化细菌，在厌氧条件下利用还原态硫（S^2-，S⁰，S₂O₃ ^2-等）作为电子供体，并通过其获取能量，同时以硝酸盐作为电子受体，将其还原为氮气（Chen C et al, 2008; Sahinkaya E et al, 2011）。铁自养反硝化也是最近发现的微生物代谢形式，指铁自养反硝化细菌以Fe或Fe²⁺为唯一电子供体还原硝态氮（Berner RA and Petsch ST, 1998; Larese-Casanova P, 2010）。而还原态硫化合物在岩石圈和水圈中主要以黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿等硫铁矿化物形式存在，而这些硫铁矿化物尤其是黄铁矿是硫和铁在生物地球化学循环中主要的存储形式，由此可见，硫铁自养反硝化很有可能同步发生在同一体系中，找到一株同时具备硫自养反硝化和铁自养反硝化的细菌具有实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对废气脱硝领域中BioDeNO_X工艺的不足，提供一株在有机碳源存在的条件下能同时高效还原Fe(II)EDTA-NO和Fe(III)EDTA的细菌，在同一厌氧体系中同时实现Fe(II)EDTA-NO的还原和Fe(II)EDTA的再生，达到连续脱硝的目的。同时该菌能够针对传统反硝化工艺的不足，不仅仅可完成异养反硝化过程，还能够同时实现硫自养反硝化和铁自养反硝化过程，能有效的去除废水中的氮，有较强的实用价值。

本发明的技术方案如下：

一株同时具有反硝化和铁还原功能的脱氮副球菌，该菌株脱氮副球菌ZGL1，已于2012年5月7日在中国典型培养物保藏中心保藏，其保藏号CCTCC M 2012158。

本发明的脱氮副球菌的培养方法，是将脱氮副球菌ZGL1接种于培养基中，pH 7.2~7.4，30℃，恒温静止厌氧培养。

异养反硝化废气脱硝培养基组分为有机碳源 1~10 mM，Fe^III(L) 5~25 mM，Fe^II(L)-NO 2~10mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的；异养反硝化废水脱氮培养基组分为有机碳源 1~10 mM，KNO₃或KNO₂5~15 mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

硫自养反硝化废气脱硝培养基组分为Na₂S₂O₃或S⁰或Na₂S 2~10mM，Fe^II(L)-NO 2~10mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。硫自养反硝化废水脱氮培养基组分为Na₂S₂O₃或S⁰或Na₂S 2~10mM，KNO₃或KNO₂ 5~15 mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

铁自养反硝化废气脱硝培养基组分为Fe^II(L) 4~10 mM，Fe^II(L)-NO4~10mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH7.2~7.4，培养基为灭过菌的；铁自养反硝化废水脱氮培养基组分为FeCl₂ 4~10 mM，KNO₃或KNO₂ 5~15 mM，，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

异养铁还原培养基组分为有机碳源 1~10 mM，FeCl₃ 5~25 mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

本发明的脱氮副球菌ZGL1的应用如下：

该菌用于异养反硝化废气脱硝：使用Fe^II(L)作为络合吸收剂来吸收NO，有机碳源作为电子供体来同时还原Fe^II(L)-NO和Fe^III(L)；该菌用于异养反硝化废水脱氮：用有机碳源作为电子供体来还原硝酸盐、亚硝酸盐。

该菌用于硫自养反硝化废气脱硝：使用Fe^II(L)作为络合吸收剂来吸收NO，硫代硫酸盐、单质硫或硫化物作为电子供体来还原Fe^II(L)-NO；该菌用于硫自养反硝化废水脱氮：以硫代硫酸盐、单质硫或硫化物作为电子供体来还原硝酸盐、亚硝酸盐。

该菌用于铁自养反硝化废气脱硝：使用Fe^II(L)作为络合吸收剂来吸收NO，以Fe^II(L)为电子供体来还原Fe^II(L)-NO；该菌用于铁自养反硝化废水脱氮：以Fe^II为电子供体来还原硝酸盐、亚硝酸盐。

该菌用于异养铁还原，以有机碳源作为电子供体来还原Fe^III。

上述的用于废气脱硝的亚铁络合剂L是乙二胺四乙酸(EDTA)、次氮基三乙酸(NTA)、羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)、二乙三胺五乙酸(DTPA)的一种或多种组合。

上述的用于异养过程的有机碳源为葡萄糖、蔗糖、乳酸钠、甲醇、乙醇、甲酸钠、乙酸钠、柠檬酸钠、垃圾渗滤液、淀粉加工产生的有机废弃物或有机废水、造纸工业产生的有机废弃物或有机废水。

本发明的有益效果是该菌株不仅能够完成异养反硝化和自养反硝化过程（包括硫自养反硝化和铁自养反硝化），还可以有效还原三价铁。在废气治理中，用同一菌株在BioDeNO_X脱硝工艺中同时实现Fe(II)EDTA-NO的还原和Fe(II)EDTA的再生，达到连续脱硝的目的，能耗低、投资和运行费用少，无二次污染。在废水处理中，该菌不仅可以通过异养反硝化的过程脱除废水中的硝酸盐和亚硝酸盐，还能够通过硫自养反硝化和铁自养反硝化过程进行废水脱氮，成本较低，工艺简单，有较强的实用价值。

具体实施方式

实施例1：本发明菌株在有机碳源条件下异养反硝化废水脱氮

有机碳源脱氮培养基：MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，KNO₃10 mM，葡萄糖 5 mM，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

使用有机碳源脱氮培养基，在厌氧条件下接种干重量为0.6g/L的菌株ZGL1，30℃下培养，间隔一定时间取样测定硝酸盐浓度的变化，结果见表1。从表1中可以看出，在有机碳源存在的条件下，脱氮速度快，效率高，经过24 h的培养，体系中94.9%的硝酸盐被脱除。

表1 菌株ZGL1在异养反硝化的作用

实施例2：本发明菌株在有机碳源条件下同时异养反硝化废气脱硝和铁还原

有机碳源脱硝铁还原培养基：MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，葡萄糖 5 mM，Fe^IIEDTA-NO 4 mM，Fe^IIIEDTA 10mM，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

使用有机碳源脱硝铁还原培养基，在厌氧条件下接种干重量为0.6g/L的菌株ZGL1，30℃下培养，间隔一定时间取样测定Fe^IIEDTA-NO 和Fe^IIIEDTA浓度的变化，结果见表2。从表2中可以看出，培养12 h，Fe^IIEDTA-NO 和Fe^IIIEDTA都得到了很好的还原，Fe^IIEDTA-NO还原率为80.3%，Fe^IIIEDTA为55.8%。菌株ZGL1能够利用外加有机碳源生长，并能同时还原Fe^IIEDTA-NO 和Fe^IIIEDTA。

表2 菌株ZGL1同时对Fe(II)EDTA-NO和Fe(III)EDTA的还原

实施例3：本发明菌株硫自养反硝化废水脱氮

硫自养反硝化培养基：MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，KNO₃10 mM，Na₂S₂O₃·5H₂O 5 mM，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

使用有机碳源脱硝铁还原培养基，在厌氧条件下接种干重量为0.6g/L的菌株ZGL1，30℃下培养，间隔一定时间取样测定NO₃ ^-和S₂O₃ ^2-浓度的变化，结果见表3。从表3中可以看出，菌株ZGL1不仅可以在异养条件下生长，还能在自养下进行生长。初始浓度为10 mM的NO₃ ^-和5 mM的S₂O₃ ^2-，菌株ZGL1能进行硫自养反硝化过程，经过24 h的培养后，NO₃ ^-和S₂O₃ ^2-的去除率分别为61.8%和75.6%。

实施例4：本发明菌株铁自养反硝化废气脱硝

铁自养反硝化培养基：MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，Fe^IIEDTA-NO 4 mM，Fe^IIEDTA 4 mM，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

使用铁自养反硝化培养基，在厌氧条件下接种干重量为0.6g/L的菌株ZGL1，30℃下培养，间隔一定时间取样测定Fe^IIEDTA-NO和Fe^IIEDTA浓度的变化，结果见表4。从表4中可以看出，菌株ZGL1可以在铁自养条件下脱氮。经过48 h的培养，Fe^IIEDTA-NO的去除率达到53.3%，而Fe^IIEDTA有相应的减少，说明菌株ZGL1能进行铁自养反硝化过程。由于该菌又是铁还原菌，所以导致体系中的Fe^II变化有些反复。

表4 菌株ZGL1在铁自养反硝化的作用

实施例5：本发明菌株在有机碳源条件下异养铁还原

有机碳源铁还原培养基：MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，葡萄糖 5 mM，FeCl₃ 10 Mm，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

使用有机碳源铁还原培养基，在厌氧条件下接种干重量为0.6g/L的菌株ZGL1，30℃下培养，间隔一定时间取样测定Fe^III浓度的变化，结果见表5。从表5中可以看出，当培养基中存在有机碳源时，ZGL1能够还原Fe^III。在初始Fe^III浓度为10mM的有机碳源培养基中，经过12h的培养后，体系中的Fe^III减少到0.62 mM，去除率达到93.8%，并且减少的Fe^III基本上都转化为Fe^II。

表5 菌株ZGL1对Fe^III的还原

Claims

1.一株同时具有反硝化和铁还原功能的脱氮副球菌，其特征在于，该细菌为脱氮副球菌ZGL1，保藏号：CCTCC M 2012158，保藏地点：中国典型培养物保藏中心，保藏时间：2012年5月7日。

2.权利要求1所述脱氮副球菌的培养方法，其特征在于：将脱氮副球菌ZGL1接种于培养基中，pH 7.2~7.4，30℃，恒温静止厌氧培养。

3.根据权利要求2所述的培养方法，其特征在于：异养反硝化废气脱硝培养基组分为有机碳源 1~10 mM，Fe^III(L) 5~25 mM，Fe^II(L)-NO 2~10mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH7.2~7.4，培养基为灭过菌的；异养反硝化废水脱氮培养基组分为有机碳源 1~10 mM，KNO₃或KNO₂5~15 mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

4.根据权利要求2所述的培养方法，其特征在于：硫自养反硝化废气脱硝培养基组分为Na₂S₂O₃或S⁰或Na₂S 2~10mM，Fe^II(L)-NO 2~10mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的；硫自养反硝化废水脱氮培养基组分为Na₂S₂O₃或S⁰或Na₂S 2~10mM，KNO₃或KNO₂ 5~15 mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

5.根据权利要求2所述的培养方法，其特征在于：铁自养反硝化废气脱硝培养基组分为Fe^II(L) 4~10 mM，Fe^II(L)-NO 4~10mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的；铁自养反硝化废水脱氮培养基组分为FeCl₂4~10 mM，KNO₃或KNO₂ 5~15 mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O 5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25 g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

6.根据权利要求2所述的培养方法，其特征在于：异养铁还原培养基组分为有机碳源 1~10 mM，FeCl₃ 5~25 mM，其余成分为MgSO₄·7H₂O5 mM，CaCl₂·2H₂O 5 mM，NH₄Cl 0.28 g/L，KH₂PO₄ 0.25g/L，NaHCO₃ 5.4 g/L，调节pH 7.2~7.4，培养基为灭过菌的。

7.根据权利要求1所述脱氮副球菌的应用，其特征在于：

该菌用于异养反硝化废气脱硝：使用Fe^II(L)作为络合吸收剂来吸收NO，有机碳源作为电子供体来同时还原Fe^II(L)-NO和Fe^III(L)；

该菌用于异养反硝化废水脱氮：用有机碳源作为电子供体来还原硝酸盐、亚硝酸盐。

8.根据权利要求1所述脱氮副球菌的应用，其特征在于：

该菌用于硫自养反硝化废气脱硝：使用Fe^II(L)作为络合吸收剂来吸收NO，硫代硫酸盐、单质硫或硫化物作为电子供体来还原Fe^II(L)-NO；

该菌用于硫自养反硝化废水脱氮：以硫代硫酸盐、单质硫或硫化物作为电子供体来还原硝酸盐、亚硝酸盐。

9.根据权利要求1所述脱氮副球菌的应用，其特征在于：

该菌用于铁自养反硝化废气脱硝：使用Fe^II(L)作为络合吸收剂来吸收NO，以Fe^II(L)为电子供体来还原Fe^II(L)-NO；

该菌用于铁自养反硝化废水脱氮：以Fe^II为电子供体来还原硝酸盐、亚硝酸盐。

10.根据权利要求1所述脱氮副球菌的应用，其特征在于：该菌用于异养铁还原，以有机碳源作为电子供体来还原Fe^III。

11.根据权利要求7或8或9所述脱氮副球菌的应用，其特征在于：用于废气脱硝的亚铁络合剂L是乙二胺四乙酸(EDTA)、次氮基三乙酸(NTA)、羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)、二乙三胺五乙酸(DTPA)的一种或多种组合。

12.根据权利要求7或8或9所述脱氮副球菌的应用，其特征在于：用于异养过程的有机碳源为葡萄糖、蔗糖、乳酸钠、甲醇、乙醇、甲酸钠、乙酸钠、柠檬酸钠、垃圾渗滤液、淀粉加工产生的有机废弃物或有机废水、造纸工业产生的有机废弃物或有机废水。