CN104403940A - 一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置及方法 - Google Patents

一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置及方法。它包括反应器系统和控制器系统，其中反应器系统包括反应罐和低温水槽；反应罐上部为反应罐盖板，反应罐盖板中间设有搅拌轴，搅拌轴上端连接搅拌电机，下端连接搅拌桨，反应罐盖板上还设有液体取样管、气体取样口、进气管、出气管、温度探头、DO探头、pH探头、电导率探头和气压探头；低温水槽主要由压缩机、冷凝管和循环泵组成，并在侧壁上设有温度探头和液位探头。本发明可为海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物提供生长所必需的厌氧、低温、高压和高盐度的环境，并通过各类探头和控制系统维持装置的稳定、高效运行，从而实现海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物的快速培养。

Description

一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置及方法
技术领域
本发明涉及一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置及方法。
背景技术
甲烷作为一种重要的能源，在人类的生产生活中扮演着重要的角色。同时，甲烷又是大气中含量最多的碳氢化合物，其对全球变暖的贡献仅次于CO2，目前对全球气候变暖的“贡献率”达15％，它引起的温室效应是等摩尔CO2的20～30倍。据悉，全球每年甲烷产生量的85%及消耗量的60%都是基于微生物的作用。微生物进行的甲烷厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane）能够使大部分甲烷气体（90%以上）在进入大气圈之前就被大量地消耗。因此，甲烷厌氧氧化在全球的甲烷排放控制过程中起了不容忽视的作用，它能有效缓解目前日趋严重的温室效应。
亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation)是一种新发现的甲烷厌氧氧化过程，其反应方程式如式（1）所示。在很多生态系统中检测到了亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物的基因序列，并已证实该反应在淡水湿地系统的甲烷控制中起着重要作用。目前，国内外研究者已经获得了多种淡水亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化富集物，对淡水亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物做了较多研究。然而，却未成功富集过海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化富集物，虽然亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物的基因序列在海洋生态系统中已经被检测到。
3CH4+8NO2 -+8H+→3CO2+4N2+10H2O   (1)
(△G0’=－928 kJ mol-1 CH4)
由于海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物的生长条件非常苛刻，实验室需提供稳定的厌氧、低温、高压以及高盐度的环境，才可能获得该微生物的富集物，这对微生物的培养装置提出了很高的要求，设计一种稳定、高效的海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置很有必要。
发明内容
本发明的目的是克服现有培养装置不耐压、不稳定、鲁棒性差、密封性差、缺乏报警系统等不足，提供一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置及方法。
海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置包括反应器系统、控制器系统，反应器系统包括反应罐、低温水槽、反应罐盖板、搅拌电机、搅拌轴、搅拌桨、反应罐温度探头、反应罐DO探头、反应罐pH探头、反应罐电导率探头、顶空气压探头、液体取样管、气体取样口、出气管、出气阀、进气管、进气阀、压缩机、冷凝管、水槽液位探头、水槽温度探头、水槽循环泵、水槽进水口、软木塞、水槽排水管、水槽排水阀、取样针；反应罐浸没在低温水槽的水浴中，反应罐上端为反应罐盖板，反应罐盖板中间设有搅拌轴，搅拌轴上端连接搅拌电机，下端连接搅拌桨，反应罐盖板上还设有反应罐温度探头、反应罐DO探头、反应罐pH探头、反应罐电导率探头、顶空气压探头、液体取样管、气体取样口、出气管和进气管，其中出气管和进气管上分布设有出气阀和进气阀；低温水槽上端设有水槽进水口，并塞有软木塞，低温水槽左下端设有水槽排水管，其上设有水槽排水阀，低温水槽右侧自上而下分别设有压缩机、水槽液位探头、水槽温度探头和冷凝管，低温水槽下部设有水槽循环泵；控制器系统与反应罐温度探头、反应罐DO探头、反应罐pH探头、反应罐电导率探头、顶空气压探头、水槽液位探头和水槽温度探头相连接。
所述的反应罐上部为圆柱形，下部为半球形，上部圆柱形高径比为1～2:1，下部半球形直径与上部圆柱形直径相等。所述的反应罐与低温水槽的体积比为0.2～0.3:1，反应罐底部与低温水槽底部的距离为5～10cm。所述的搅拌桨直径与反应罐直径的比为0.3～0.5:1，离反应罐盖板的距离与反应罐总高度的比为0.7～0.8:1。所述的液体取样管上端由橡胶塞密封，下端插入液面1～3cm；气体取样口也由橡胶塞密封；取样针通过液体取样管取液体样品，通过气体取样口取气体样品，还通过气体取样口向反应罐内添加酸碱液，进行pH的手动调节。所述的进气管下端为45°斜面，斜面朝向搅拌轴，下端离反应罐盖板的距离与反应罐总高度的比为0.6～0.7:1。
海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养方法是：反应罐内接种体积为反应罐体积30～40%的海洋底泥，并加入体积为反应罐体积30～40%的人工海水培养基，使得反应罐温度探头、反应罐DO探头、反应罐pH探头、反应罐电导率探头、液体取样管和进气管的下端都没入液面以下，开启搅拌电机，搅拌电机通过搅拌轴带动搅拌桨旋转，在搅拌桨的推动作用下，反应罐中央液体自上而下流动，周围液体自下而上流动，开启出气阀和进气阀，通过进气管向反应罐内通入甲烷气体，多余的气体从出气管离开反应罐，待反应罐DO探头读数低于0.2mg/L后，先关闭出气阀，待顶空气压探头的读数高于400 kPa后，立刻关闭进气阀，并使顶空气压探头的读数不高于500kPa，若反应罐pH探头的读数低于7.0或高于8.0，通过气体取样口向反应罐内添加适量NaOH或HCl，调节pH至7.5左右；低温水槽内加入蒸馏水至液位高度为低温水槽内部总高度的0.8，并设定低温水槽的温度为10℃，稳定后，反应罐温度探头和水槽温度探头的读数应在8～12℃范围内；控制器系统通过反应罐温度探头和水槽温度探头分别监测反应罐和低温水槽内的温度，当温度超过8～12℃的允许范围时，切断低温水槽的电源，并发出警报，控制器系统通过反应罐DO探头监测反应罐内的溶解氧，当读数大于0.2mg/L时，切断低温水槽的电源，并发出警报，控制器系统通过反应罐电导率探头监测反应罐内液体电导率，当电导率值超过初始值的±20%时，切断低温水槽的电源，并发出警报，控制器系统通过顶空气压探头监测反应罐内气体压力，当气压大于600kPa或小于200kPa时，切断低温水槽的电源，并发出警报，控制器系统通过反应罐pH探头监测反应罐内液体的pH值，当pH值超过7.0～8.0的正常范围时，发出警报，等待手动调节，控制器系统通过水槽液位探头监测低温水槽内液位高度，当液位高度与低温水槽内部总高度的比值大于0.9或小于0.7时，发出警报，等待手动调节。
发明与现有技术相比具有的有益效果：1）海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物生长条件非常苛刻，本发明为其提供了厌氧、低温、高压和高盐度的培养环境，并通过各类探头监测这些环境指标；2）海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物是一种生长非常缓慢的微生物，其富集培养是个漫长的过程，长达数年甚至十数年，所以必需保证其培养装置长期稳定运行，本发明提供了完善的控制报警系统，当各类探头监测的信号超出合适范围时，立即发出警报或切断电源，降低由于仪器故障或操作失误引起的损失；3）为降低由于个别探头失灵而引起装置故障的概率，本发明采用了多个探头监测同一个指标的方法，如：温度过高，则罐内温度探头、槽内温度探头和气压探头都会发出警报，温度过低，甚至结冰，则罐内温度探头、槽内温度探头、气压探头和电导率探头（部分水结冰后，剩余水的电导率迅速增加）都会发出警报，某个探头失灵，其他探头还可以继续独立工作。4）本发明设计巧妙、装置紧凑，将所有反应罐的开口都设在反应罐盖板上，消除了开口处密封不佳引起培养液泄漏的可能，增加了装置的易用性，此外，液体取样管的特殊设计，方便了液体样品的采集，也增加了装置的一体性。
附图说明
图1是海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置包括反应器系统1、控制器系统2，反应器系统1包括反应罐3、低温水槽4、反应罐盖板5、搅拌电机6、搅拌轴7、搅拌桨8、反应罐温度探头9、反应罐DO探头10、反应罐pH探头11、反应罐电导率探头12、顶空气压探头13、液体取样管14、气体取样口15、出气管16、出气阀17、进气管18、进气阀19、压缩机20、冷凝管21、水槽液位探头22、水槽温度探头23、水槽循环泵24、水槽进水口25、软木塞26、水槽排水管27、水槽排水阀28、取样针29；反应罐3浸没在低温水槽4的水浴中，反应罐3上端为反应罐盖板5，反应罐盖板5中间设有搅拌轴7，搅拌轴7上端连接搅拌电机6，下端连接搅拌桨8，反应罐盖板5上还设有反应罐温度探头9、反应罐DO探头10、反应罐pH探头11、反应罐电导率探头12、顶空气压探头13、液体取样管14、气体取样口15、出气管16和进气管18，其中出气管16和进气管18上分布设有出气阀17和进气阀19；低温水槽4上端设有水槽进水口25，并塞有软木塞26，低温水槽4左下端设有水槽排水管27，其上设有水槽排水阀28，低温水槽4右侧自上而下分别设有压缩机20、水槽液位探头22、水槽温度探头23和冷凝管21，低温水槽4下部设有水槽循环泵24；控制器系统2与反应罐温度探头9、反应罐DO探头10、反应罐pH探头11、反应罐电导率探头12、顶空气压探头13、水槽液位探头22和水槽温度探头23相连接。
所述的反应罐3上部为圆柱形，下部为半球形，上部圆柱形高径比为1～2:1，下部半球形直径与上部圆柱形直径相等。所述的反应罐3与低温水槽4的体积比为0.2～0.3:1，反应罐3底部与低温水槽4底部的距离为5～10cm。所述的搅拌桨8直径与反应罐3直径的比为0.3～0.5:1，离反应罐盖板5的距离与反应罐3总高度的比为0.7～0.8:1。所述的液体取样管14上端由橡胶塞密封，下端插入液面1～3cm；气体取样口15也由橡胶塞密封；取样针29通过液体取样管14取液体样品，通过气体取样口15取气体样品，还通过气体取样口15向反应罐3内添加酸碱液，进行pH的手动调节。所述的进气管18下端为45°斜面，斜面朝向搅拌轴7，下端离反应罐盖板5的距离与反应罐3总高度的比为0.6～0.7:1。
海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养方法是：反应罐3内接种体积为反应罐3体积30～40%的海洋底泥，并加入体积为反应罐3体积30～40%的人工海水培养基，使得反应罐温度探头9、反应罐DO探头10、反应罐pH探头（11）、反应罐电导率探头12、液体取样管14和进气管18的下端都没入液面以下，开启搅拌电机6，搅拌电机6通过搅拌轴7带动搅拌桨8旋转，在搅拌桨8的推动作用下，反应罐3中央液体自上而下流动，周围液体自下而上流动，开启出气阀17和进气阀19，通过进气管18向反应罐3内通入甲烷气体，多余的气体从出气管16离开反应罐3，待反应罐DO探头10读数低于0.2mg/L后，先关闭出气阀17，待顶空气压探头13的读数高于400 kPa后，立刻关闭进气阀19，并使顶空气压探头13的读数不高于500kPa，若反应罐pH探头11的读数低于7.0或高于8.0，通过气体取样口15向反应罐3内添加适量NaOH或HCl，调节pH至7.5左右；低温水槽4内加入蒸馏水至液位高度为低温水槽4内部总高度的0.8，并设定低温水槽4的温度为10℃，稳定后，反应罐温度探头9和水槽温度探头23的读数应在8～12℃范围内；控制器系统2通过反应罐温度探头9和水槽温度探头23分别监测反应罐3和低温水槽4内的温度，当温度超过8～12℃的允许范围时，切断低温水槽4的电源，并发出警报，控制器系统2通过反应罐DO探头10监测反应罐3内的溶解氧，当读数大于0.2mg/L时，切断低温水槽4的电源，并发出警报，控制器系统2通过反应罐电导率探头12监测反应罐3内液体电导率，当电导率值超过初始值的±20%时，切断低温水槽4的电源，并发出警报，控制器系统2通过顶空气压探头13监测反应罐3内气体压力，当气压大于600kPa或小于200kPa时，切断低温水槽4的电源，并发出警报，控制器系统2通过反应罐pH探头11监测反应罐3内液体的pH值，当pH值超过7.0～8.0的正常范围时，发出警报，等待手动调节，控制器系统2通过水槽液位探头22监测低温水槽4内液位高度，当液位高度与低温水槽4内部总高度的比值大于0.9或小于0.7时，发出警报，等待手动调节。

Claims (7)

1.一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置，其特征在于包括反应器系统（1）、控制器系统（2），反应器系统（1）包括反应罐（3）、低温水槽（4）、反应罐盖板（5）、搅拌电机（6）、搅拌轴（7）、搅拌桨（8）、反应罐温度探头（9）、反应罐DO探头（10）、反应罐pH探头（11）、反应罐电导率探头（12）、顶空气压探头（13）、液体取样管（14）、气体取样口（15）、出气管（16）、出气阀（17）、进气管（18）、进气阀（19）、压缩机（20）、冷凝管（21）、水槽液位探头（22）、水槽温度探头（23）、水槽循环泵（24）、水槽进水口（25）、软木塞（26）、水槽排水管（27）、水槽排水阀（28）、取样针（29）；反应罐（3）浸没在低温水槽（4）的水浴中，反应罐（3）上端为反应罐盖板（5），反应罐盖板（5）中间设有搅拌轴（7），搅拌轴（7）上端连接搅拌电机（6），下端连接搅拌桨（8），反应罐盖板（5）上还设有反应罐温度探头（9）、反应罐DO探头（10）、反应罐pH探头（11）、反应罐电导率探头（12）、顶空气压探头（13）、液体取样管（14）、气体取样口（15）、出气管（16）和进气管（18），其中出气管（16）和进气管（18）上分布设有出气阀（17）和进气阀（19）；低温水槽（4）上端设有水槽进水口（25），并塞有软木塞（26），低温水槽（4）左下端设有水槽排水管（27），其上设有水槽排水阀（28），低温水槽（4）右侧自上而下分别设有压缩机（20）、水槽液位探头（22）、水槽温度探头（23）和冷凝管（21），低温水槽（4）下部设有水槽循环泵（24）；控制器系统（2）与反应罐温度探头（9）、反应罐DO探头（10）、反应罐pH探头（11）、反应罐电导率探头（12）、顶空气压探头（13）、水槽液位探头（22）和水槽温度探头（23）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置，其特征在于：所述的反应罐（3）上部为圆柱形，下部为半球形，上部圆柱形高径比为1～2:1，下部半球形直径与上部圆柱形直径相等。
3.根据权利要求1所述的一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置，其特征在于：所述的反应罐（3）与低温水槽（4）的体积比为0.2～0.3:1，反应罐（3）底部与低温水槽（4）底部的距离为5～10cm。
4.根据权利要求1所述的一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置，其特征在于：所述的搅拌桨（8）直径与反应罐（3）直径的比为0.3～0.5:1，离反应罐盖板（5）的距离与反应罐（3）总高度的比为0.7～0.8:1。
5.根据权利要求1所述的一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置，其特征在于：所述的液体取样管（14）上端由橡胶塞密封，下端插入液面1～3cm；气体取样口（15）也由橡胶塞密封；取样针（29）通过液体取样管（14）取液体样品，通过气体取样口（15）取气体样品，还通过气体取样口（15）向反应罐（3）内添加酸碱液，进行pH的手动调节。
6.根据权利要求1所述的一种海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养装置，其特征在于：所述的进气管（18）下端为45°斜面，斜面朝向搅拌轴（7），下端离反应罐盖板（5）的距离与反应罐（3）总高度的比为0.6～0.7:1。
7.一种使用如权利要求1所述装置的海洋亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物培养方法，其特征在于：反应罐（3）内接种体积为反应罐（3）体积30～40%的海洋底泥，并加入体积为反应罐（3）体积30～40%的人工海水培养基，使得反应罐温度探头（9）、反应罐DO探头（10）、反应罐pH探头（11）、反应罐电导率探头（12）、液体取样管（14）和进气管（18）的下端都没入液面以下，开启搅拌电机（6），搅拌电机（6）通过搅拌轴（7）带动搅拌桨（8）旋转，在搅拌桨（8）的推动作用下，反应罐（3）中央液体自上而下流动，周围液体自下而上流动，开启出气阀（17）和进气阀（19），通过进气管（18）向反应罐（3）内通入甲烷气体，多余的气体从出气管（16）离开反应罐（3），待反应罐DO探头（10）读数低于0.2mg/L后，先关闭出气阀（17），待顶空气压探头（13）的读数高于400 kPa后，立刻关闭进气阀（19），并使顶空气压探头（13）的读数不高于500kPa，若反应罐pH探头（11）的读数低于7.0或高于8.0，通过气体取样口（15）向反应罐（3）内添加适量NaOH或HCl，调节pH至7.5左右；低温水槽（4）内加入蒸馏水至液位高度为低温水槽（4）内部总高度的0.8，并设定低温水槽（4）的温度为10℃，稳定后，反应罐温度探头（9）和水槽温度探头（23）的读数应在8～12℃范围内；控制器系统（2）通过反应罐温度探头（9）和水槽温度探头（23）分别监测反应罐（3）和低温水槽（4）内的温度，当温度超过8～12℃的允许范围时，切断低温水槽（4）的电源，并发出警报，控制器系统（2）通过反应罐DO探头（10）监测反应罐（3）内的溶解氧，当读数大于0.2mg/L时，切断低温水槽（4）的电源，并发出警报，控制器系统（2）通过反应罐电导率探头（12）监测反应罐（3）内液体电导率，当电导率值超过初始值的±20%时，切断低温水槽（4）的电源，并发出警报，控制器系统（2）通过顶空气压探头（13）监测反应罐（3）内气体压力，当气压大于600kPa或小于200kPa时，切断低温水槽（4）的电源，并发出警报，控制器系统（2）通过反应罐pH探头（11）监测反应罐（3）内液体的pH值，当pH值超过7.0～8.0的正常范围时，发出警报，等待手动调节，控制器系统（2）通过水槽液位探头（22）监测低温水槽（4）内液位高度，当液位高度与低温水槽（4）内部总高度的比值大于0.9或小于0.7时，发出警报，等待手动调节。
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