CN103289940A - 一株雷氏普罗威登斯菌及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一株雷氏普罗威登斯菌及其应用，该菌命名为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL，于2013年4月28日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），保藏编号为CGMCCNo.7544。上述雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理，可有效去除水体中的有机氮、氨氮、亚硝氮及硝氮，并同时实现对有机碳的去除，整个有机碳及氮素同步去除过程仅需一个好氧阶段即可实现。该菌株具有异养硝化-好氧反硝化的功能，只需在好氧条件下可实现有机碳和氮素的同步去除，能大大减少占地面积和建设资金，能缩短系统启动的时间，减少处理成本，提高处理效率。

Description

一株雷氏普罗威登斯菌及其应用

技术领域

本发明涉及一株雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）及其在废水处理中的应用。该菌株具有异养硝化-好氧反硝化的功能，能在完全好氧的条件下有效去除水体中的有机氮、氨氮、亚硝氮、硝氮及其混合物，并同时去除废水中的有机碳，特别适用于高浓度含氮有机废水的生物处理。

 

背景技术

废水的生物处理是目前应用较为广泛的一种废水处理方式。虽然以活性污泥法和生物膜法为代表的好氧生物处理工艺对废水中的有机碳具有良好的去除作用，但对于氮素的脱除效果却欠佳。因此，对于含氮有机废水，还需要增加处理构筑物以实现生物脱氮。传统意义上的生物脱氮必须由自养硝化细菌在好氧条件下的硝化作用（NH₄ ⁺→NO₂ ^-→NO₃ ^-）和异养反硝化细菌在厌（缺）氧条件下的反硝化作用（NO₃ ^-→NO₂ ^-→NO→N₂O→N₂）序批完成。而且，由于大量的有机碳的存在会导致以自养硝化细菌为主的硝化反应无法正常运行，因此，传统的废水生物处理往往需要采取有机碳去除、好氧硝化、缺氧反硝化分段处理工艺以实现废水中有机碳和氮素的逐一去除。即先通过活性污泥法等工艺实现废水中有机碳的去除，再将低有机碳浓度的废水引入硝化池以确保好氧硝化作用的顺利进行，最后进入反硝化池在厌（缺）氧条件下实现反硝化脱氮。并且由于反硝化过程要求有机物含量较高，运行中往往需要补加碳源，从而增加了人力及资金的投入。因此这一处理流程复杂、基建费用高、运行中消耗大量的能源、运行费用也很高。新型的废水生物处理理论及技术的发展，已成为越来越多的研究者关注的问题。

近年来，在废水生物处理的研究中，发现了一些极为特殊的异养细菌，这类细菌大多既具有异养硝化能力，又具有好氧反硝化能力，可在好氧条件下实现对氮素的一步脱除。而且，由于这类细菌是以有机碳为碳源的，因此，在脱氮的同时，兼具有去除有机碳的功能。这类菌株的发现突破了传统技术限制，可同步实现废水中有机碳去除和生物脱氮，从而大大简化处理工艺。

    CN201010101218.8公开了一株具有异养硝化-好氧反硝化能力的红球菌（Rhodococuussp.）。在处理以有机物（乙酸钠、葡萄糖）为碳源，氨氮为唯一氮源的废水时，氨氮的去除率分别为71.9% 和54.4% ，COD的去除率分别85.5%和 37.9%。CN201110006790.0公开了一株具有异养硝化-好氧反硝化能力的嗜吡啶红球菌（Rhodococuus pyridinivorans）。该菌在以硝酸盐为氮源的培养基中，对硝氮的去除率为66.74%，总氮的去除率为64%。刘芳芳等（农业环境科学学报，2010，29（11））从养猪场污水处理池中分离出4株具有异养硝化好氧反硝化功能的粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis），编号分别为79、84、L116、L117。当初始氨氮浓度为90 mg/L时，其对氨氮的去除率分别为44.4% 、47.9%、61.3%、56.4%，总氮的去除率为39.9%、38.5%、 43.4%、40.7%。魏巍等（生态环境学报2010，19（9））从水库底泥中分离出一株具有异养硝化好氧反硝化的根瘤菌（Rhizobium sp.），以硝酸钠为唯一氮源时，硝氮的去除率可达95%以上，而在以氨氮为唯一氮源时，对氨氮的去除率为58%。上述菌株对氨氮及总氮的去除能力需进一步提高，且未见其对有机氮去除能力的报道，对有机碳去除能力也缺乏关注。

至今为止，对于这类新型异养细菌的研究还处于起步阶段，对于其在水处理工艺中的应用相对缺乏。利用这类异养硝化-好氧反硝化菌开发新型水处理工艺，可实现生物脱氮及有机碳去除仅在好氧条件下由一个反应器完成，避免了多种功能菌的协同作用及其对于好、缺氧环境的不同要求。因此，为缓减传统生物水处理工艺自身的不足、节约处理成本、提高经济效益，高效稳定兼具脱氮和有机碳去除性能的异养菌株的分离及应用，无疑为高含氮有机废水的生物处理工艺提供了新的思路。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种在好氧条件下具有脱氮和有机碳去除能力的菌株及其用途。

本发明的技术方案是这样实现的：

一株雷氏普罗威登斯菌，命名为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL，于2013年4月28日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），保藏编号为CGMCC No.7544。

所述雷氏普罗威登斯菌YL为革兰氏阴性菌，该菌为杆菌，有鞭毛，细菌大小为0.4μm×（1.0-1.3）μm；在平板上形成乳白色、直径2 mm、半透明、圆形、凸起、有核、表面光滑菌落。

上述雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理，可有效去除水体中的有机氮、氨氮、亚硝氮及硝氮，并同时实现对有机碳的去除，整个有机碳及氮素同步去除过程仅需一个好氧阶段即可实现。

上述雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，所述废水碳氮比为5-20，较优条件为10-15。

上述雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，所述废水pH值为6-9，较优条件为7-8。

上述雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，所述废水温度为20-40℃，较优条件为20-35℃。

上述雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，更优选处理条件为废水碳氮比为10-15；废水pH值为7-8；废水温度为20-35℃。

本发明的雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL及其应用具有以下技术优势：

1、该菌株具有异养硝化-好氧反硝化的功能，同时对有机碳具有良好的去除效果，只需在好氧条件下可实现有机碳和氮素的同步去除，而不用像传统的废水生物处理工艺那样将有机碳去除、好氧硝化和厌（缺）氧反硝化分开，能大大减少占地面积和建设资金。

2、这一处理过程仅由异养细菌完成，避免了传统工艺中多种功能菌的协同作用，且异养细菌生长速率快，故该菌的使用能缩短系统启动的时间，减少处理成本，提高处理效率，避免传统工艺中自养硝化细菌生长慢，水力停留时间长的问题。

3、耦联的硝化-反硝化过程，能使反硝化过程中产生的碱度用于弥补硝化过程中产生的酸度，整个过程无需要调节pH值。

4、该菌株可利用有机氮、氨氮、亚硝氮和硝氮，适用水质范围广。

5、该菌株脱氮效率高，性能稳定，对有机氮、氨氮、亚硝氮、硝氮的去除率在85%-100%，同时对有机碳的去除也达到80%以上。可缓解传统工艺中处理效率与经济利益之间的矛盾，具有广阔的应用前景及良好的社会及环保效益。

 

附图说明

图1为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL的扫描电镜图（放大倍数 10,000倍）。

图2为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL对氨氮的降解图。

图3为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL对亚硝氮的降解图。

图4为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL对硝氮的降解图。

图5为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL在尿素废水中的生长及对TN、TOC的去除图。

 

具体实施方式

本发明提供的一株雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL已于2013年4月28日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），地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号；保藏编号为CGMCC No.7544。

本发明中雷氏普罗威登斯菌YL革兰氏染色阴性，在平板上形成乳白色、直径2 mm、半透明、圆形、凸起、有核、表面光滑菌落。菌株YL的扫描电镜形态见附图1。该菌为杆菌，有鞭毛，细菌大小为0.4μm×（1.0-1.3）μm。生理生化特性见表1。

表1雷氏普罗威登斯菌YL生理生化特性

试验项目	结果	试验项目	结果
				三氯新	-	乙酰氨	-
脲酶	+	苯丙氨酸	+
				麦芽糖	-	棉子糖	-
肌醇	+	硫化氢	-
				阿拉伯糖	-	赖氨酸	-
葡萄糖氧化	+	七叶树苷	-
				枸橼酸盐	-	多粘菌素B	-
甘露醇	-	山梨糖	-
				侧金盏花醇	+	b-半乳糖苷酶	-
葡萄糖发醇	+	鸟氨酸	-
				阳性生长控制	+	植物鸟尿蓝母	-
丙二酸盐	-	乳糖	-
				木糖	-	蔗糖	-
香豆酸	-	鼠李糖	-
				精氨酸	-	氧化酶	-

注：“+”：阳性；“－”：阴性。

该菌株的16S rRNA基因序列见序列表，其序列长度为1102 bp。在GenBank中其基因序列登陆号为FJ151630。将该序列在GenBank中进行比对，结果显示与Providencia rettgeri的序列相似性最高，为98%。结合细菌形态特征和生理生化特征，该菌株属于雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri），并命名为Providencia rettgeri strain YL。

本发明中雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL能以有机碳为碳源，在好氧条件下氧化NH₄ ⁺为NO₂ ^-和NO₃ ^-，并能继续在好氧条件下还原NO₃ ^-和NO₂ ^-为氮气等气态产物，从而达到脱氮的目的；能在好氧条件下，以有机碳为电子供体，NO₃ ^-或NO₂ ^-为电子受体，将其还原为氮气；也能在好氧条件下，将有机氮转化为气态产物，实现对有机氮的一步脱除。因此，雷氏普罗威登斯菌YL是一株具有脱氮（有机氮、氨氮、亚硝氮及硝氮）和有机碳同步去除功能的细菌，可应用于含氮有机废水的生物处理。

所述废水的碳氮（C/N）比为5-20，较优条件为10-15。

所述废水的pH值为6-9，较优条件为7-8。

所述废水的温度为20-40℃，较优条件为20-35℃。

更优选处理条件为废水碳氮比为10-15；废水pH值为7-8；废水温度为20-35℃。

本发明提供的菌株可用于含氮有机废水的生物处理，可有效去除水体中的有机氮、氨氮、亚硝氮及硝氮，并同时实现对有机碳的去除。整个有机碳及氮素同步去除过程仅需一个好氧阶段即可实现，能有效解决传统废水生物处理需要采取有机碳去除、好氧硝化、缺氧反硝化分段处理的难题，大大简化工艺流程，提高处理效率。

本发明的雷氏普罗威登斯菌YL可耐受高浓度的有机碳源及氮源，特别适合高C/N比有机废水的处理，在C/N为10时，对氨氮的去除率为100%，总氮的去除率为97%以上，TOC的去除率80%以上，体现其良好的处理能力。

以下结合实施例说明本发明菌株的分离筛选和应用举例。

菌株的分离筛选。步骤如下：

①1 mL活性污泥于100 mL基础培养液中，在30 ℃下以100 rpm 的速度进行富集培养24 h。基础培养液配方如下（每升）：蛋白胨10 g，牛肉浸膏10 g，NaCl 5 g。

②采用倍比稀释法将污泥富集培养液进行梯度稀释，并涂布于固体选择性培养基上，置于30℃生化培养箱中培养，获取单一菌落。然后挑取单一菌落接种到液体选择性培养基中，在30℃、120 rpm的好氧条件下培养72h，以液体选择性培养基中NO₃ ^--N的去除率作为指标进行筛选，将具有良好NO₃ ^--N去除效率的菌体进行进一步划线分离纯化，获取具有好氧反硝化功能的细菌。液体选择性培养基（每升）：NaNO₃ 0.122 g，柠檬酸三钠 0.817 g，NaCl 4 g，Na₂HPO₄ 2.66 g，KH₂PO₄ 1 g，微量元素溶液3 mL。每升微量元素溶液包含MgSO₄·7H₂O 3 g，MnSO₄ 3 g，ZnSO₄·7H₂O 3 g，H₃BO₃ 1.12 g，FeSO₄·7H₂O 0.3 g，CaCl₂ 0.6 g。液体选择性培养基中加入2%的琼脂即为固体选择性培养基。

③以氨氮为氮源、柠檬酸三钠为碳源对上述分离出的细菌进行异养硝化-好氧反硝化能力考察。获取一株对氨氮及总氮去除能力均在90%以上的菌株，说明该菌为异养硝化-好氧反硝化细菌，编号为YL。

实施方式1：雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL用于氨氮有机废水处理

    将雷氏普罗威登斯菌YL置于以氨氮（NH₄ ⁺-N）为唯一氮源的模拟废水中，考察菌株YL对NH₄ ⁺-N和有机碳（TOC）的去除效率。人工配水为（每升）：NH₄Cl 0.688 g，葡萄糖 4.5 g，NaCl 4 g，Na₂HPO₄ 2.66 g，KH₂PO₄ 1 g，微量元素溶液3 mL。每升微量元素溶液包含MgSO₄·7H₂O 3 g，MnSO₄ 3 g，ZnSO₄·7H₂O 3 g，H₃BO₃ 1.12 g，FeSO₄·7H₂O 0.3 g，CaCl₂ 0.6 g。培养条件为30℃和120 rpm。实验结果如附图2所示。菌株YL在该模拟废水中生长良好，24h达到生长最大值，NH₄ ⁺-N被快速的去除，其去除速率达到18.7 mg N/L/h。经过96h培养，氨氮的去除率为100%，总氮的去除率为97.8%，TOC的去除率为82.4%。其间，几乎没有亚硝酸盐的积累。表明菌株YL对于高NH₄ ⁺有机废水具有良好的处理能力。

实施方式2：雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL用于亚硝氮有机废水处理

将雷氏普罗威登斯菌YL置于以亚硝酸盐（NO₂ ^--N）为唯一氮源的模拟废水中，考察菌株YL对NO₂ ^--N和TN的去除效率。人工配水为（每升）：NaNO₂ 0.049 g，葡萄糖 0.249 g，NaCl 4 g，Na₂HPO₄ 2.66 g，KH₂PO₄ 1 g，微量元素溶液3 mL。每升微量元素溶液包含MgSO₄·7H₂O 3 g，MnSO₄ 3 g，ZnSO₄·7H₂O 3 g，H₃BO₃ 1.12 g，FeSO₄·7H₂O 0.3 g，CaCl₂ 0.6 g。培养条件为30℃和120 rpm。实验结果如附图3所示。菌株YL能快速去除废水中的NO₂ ^--N，经过48h，NO₂ ^--N的去除率达到98%以上，TN的去除率为83%左右。

实施方式3：雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL用于硝氮有机废水处理

将雷氏普罗威登斯菌YL置于以硝酸盐（NO₃ ^--N）为唯一氮源的模拟废水中，考察菌株YL对NO₃ ^--N和TN的去除效率。人工配水为（每升）：NaNO₃ 0.061 g，葡萄糖 0.25 g，NaCl 4 g，Na₂HPO₄ 2.66 g，KH₂PO₄ 1 g，微量元素溶液3 mL。每升微量元素溶液包含MgSO₄·7H₂O 3 g，MnSO₄ 3 g，ZnSO₄·7H₂O 3 g，H₃BO₃ 1.12 g，FeSO₄·7H₂O 0.3 g，CaCl₂ 0.6 g。培养条件为30℃和120 rpm。实验结果如附图4所示。菌株YL对NO₃ ^--N去除率为93%，对TN的去除率在90%左右。

实施方式4：雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL应用于含尿素废水

为考察雷氏普罗威登斯菌YL对于有机氮源的去除情况，将菌株YL投加入含有尿素的人工配水。其水质情况为（每升）：尿素0.17 g，葡萄糖 2 g，NaCl 4 g，Na₂HPO₄ 2.66 g，KH₂PO₄ 1 g，微量元素溶液3 mL。每升微量元素溶液包含MgSO₄·7H₂O 3 g，MnSO₄ 3 g，ZnSO₄·7H₂O 3 g，H₃BO₃ 1.12 g，FeSO₄·7H₂O 0.3 g，CaCl₂ 0.6 g。在30℃、120 rpm条件下培养72 h，菌株YL在含尿素废水中的生长以及TN、TOC的去除情况见附图5。由图可知，雷氏普罗威登斯菌YL在含尿素废水中生长良好，TN的去除率为84.3%，TOC的去除率为83.6%。表明雷氏普罗威登斯菌YL不仅对于无机氮有高效的去除能力，而且对有机氮源也能进行去除。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

序列表

SEQUENCE LISTING

 

<110>  重庆大学

<120>  一株雷氏普罗威登斯菌及其应用

<130>  新专利申请

<160>  1    

<170>  PatentIn version 3.3

<210>  1

<211>  1102

<212>  DNA

<213>  Providencia rettgeri

<400>  1

ggaaagggcg gcagctaaca catgcaagtc gagcggtaac aggggaagct tgcttcccgc     60

tgacgagcgg cggacgggtg agtaatgtat ggggatctgc ccgatagagg gggataacta    120

ctggaaacgg tggctaatac cgcataatct cttaggagca aagcagggga acttcggtcc    180

ttgcgctatc ggatgaaccc atatgggatt agctagtagg tggggtaatg gctcacctag    240

gcgacgatcc ctagctggtc tgagaggatg atcagccaca ctgggactga gacacggccc    300

agactcctac gggaggcagc agtggggaat attgcacaat gggcgcaagc ctgatgcagc    360

catgccgcgt gtatgaagaa ggccctaggg ttgtaaagta ctttcagtcg ggaggaaggc    420

gttgatgcta atatcatcaa cgattgacgt taccgacaga agaagcaccg gctaactccg    480

tgccagcagc cgcggtaata cggagggtgc aagcgttaat cggaattact gggcgtaaag    540

cgcacgcagg cggttgatta agttagatgt gaaatccccg ggcttaacct gggaatggca    600

tctaagactg gtcagctaga gtcttgtaga ggggggtaga attccatgtg tagcggtgaa    660

atgcgtagag atgtggagga ataccggtgg cgaaggcggc cccctggaca aagactgacg    720

ctcaggtgcg aaagcgtggg gagcaaacag gattagatac cctggtagtc cacgctgtaa    780

acgatgtcga tttggaggtt gtgcccttga ggcgtggctt ccggagctaa cgcgttaaat    840

cgaccgcctg gggagtacgg ccgcaaggtt aaaactcaaa tgaattgaca ggggcccgca    900

caagcggtgg agcatgtggt ttaattcgat gcaacgcgag aaccttacct actcttgaca    960

tccagagaac ttagcagaga tgctttggtg ccttcgggaa ctctgagaca ggtgctgcat   1020

gctgtcgtca gctcgtgttg tgaaatgtgg gttaagtccc gcaacgagcg caacccttat   1080

cctttgtgca gcgatccggt cc                                            1102

 

Claims (8)

1.一株雷氏普罗威登斯菌，其特征在于：命名为雷氏普罗威登斯菌（Providencia rettgeri）YL，于2013年4月28日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），保藏编号为CGMCC No.7544。

2.根据权利要求1所述的雷氏普罗威登斯菌，其特征在于：所述雷氏普罗威登斯菌YL生理生化特性见下表，

试验项目 结果 试验项目 结果 三氯新 - 乙酰氨 - 脲酶 + 苯丙氨酸 + 麦芽糖 - 棉子糖 - 肌醇 + 硫化氢 - 阿拉伯糖 - 赖氨酸 - 葡萄糖氧化 + 七叶树苷 - 枸橼酸盐 - 多粘菌素B - 甘露醇 - 山梨糖 - 侧金盏花醇 + b-半乳糖苷酶 - 葡萄糖发醇 + 鸟氨酸 - 阳性生长控制 + 植物鸟尿蓝母 - 丙二酸盐 - 乳糖 - 木糖 - 蔗糖 - 香豆酸 - 鼠李糖 - 精氨酸 - 氧化酶 -

注：“+”：阳性；“－”：阴性。

3.根据权利要求1所述的雷氏普罗威登斯菌，其特征在于：所述雷氏普罗威登斯菌YL为革兰氏阴性菌，该菌为杆菌，有鞭毛，细菌大小为0.4μm×（1.0-1.3）μm；在平板上形成乳白色、直径2 mm、半透明、圆形、凸起、有核、表面光滑菌落。

4.权利要求1所述雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理，用于去除水体中的有机氮、氨氮、亚硝氮及硝氮，并同时实现对有机碳的去除，整个有机碳及氮素同步去除过程仅需一个好氧阶段即可实现。

5.权利要求4雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，所述废水碳氮比为5-20，较优条件为10-15。

6.权利要求4雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，所述废水pH值为6-9，较优条件为7-8。

7.权利要求4雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，所述废水温度为20-40℃，较优条件为20-35℃。

8.权利要求4雷氏普罗威登斯菌用于含氮有机废水的处理时，优选处理条件为废水碳氮比为10-15；废水pH值为7-8；废水温度为20-35℃。

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