CN105645598B - 一种生物降解磺胺甲恶唑的方法及装置 - Google Patents

一种生物降解磺胺甲恶唑的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物降解磺胺甲恶唑的方法及装置，其方法为：(1)种子培养，得到粪产碱杆菌和脱氮假单胞杆菌二级种子；(2)降解液配制；(3)将降解液分别装入两个发酵罐中；分别将粪产碱杆菌的二级种子和脱氮假单胞杆菌二级种子接入，发酵；(4)将两种发酵液经中空纤维膜组件过滤，发酵滤液相互交换发酵罐，持续进行2‑3h后，将发酵滤液分别储于两个储罐；(5)将过滤后的粪产碱杆菌洗回到各自发酵罐中，发酵。本发明的装置和方法使得两种菌细胞不接触，从而降低了因两种菌体细胞接触带来的对生物量的抑制从而导致SMX降解率不高的不同。同时，中空纤维膜系统能够促进两种菌的生物量，抑制SMX重新合成。

Description

一种生物降解磺胺甲恶唑的方法及装置
技术领域
本发明属于环境污染治理领域，涉及一种生物降解磺胺甲恶唑的方法及装置。
背景技术
磺胺甲恶唑(SMX)是一种普遍处方、消耗的磺胺类抗生素之一。废水中可检测到SMX浓度高达mg/L水平，表面水中含量为ng/L水平，甚至在地下水中检测到410ng/L。它在水环境中的存在会导致严重的水污染，威胁着水生植物、动物以及微生物的生存。研究发现SMX能够改变微生物菌群的构成，导致抗性基因的扩散，并且对水生生物有诱变性或者植物性毒害。许多文献报道生物降解是污水处理SMX排除的最主要的途径，研究了其排除的效率并分离鉴定了一些主要的具有SMX降解能力的菌株。虽然一些涉及其生物降解的特定的酶、降解途径、可能的代谢产物已经有所阐述，但是SMX生物降解机制仍不是很清楚。
膜生物反应器(MBR)技术已经广泛应用于污水处理化学污染物中。许多文献主要研究膜生物反应器处理有机污染物的处理效率、膜积垢以及生物生存能力的影响因素(如污泥停留时间、混合液悬浮物浓度、原污水容量、氧化过程、可溶性微生物产物等)。但是目前利用膜生物反应器降解抗生素化合物的文献报道不是很多。
单菌降解抗生素的能力很有限，而如果利用混菌间相互促进、互利共生的关系可能会提高SMX的降解。但是在之前的研究中发现，Alcaligenes faecalis和Pseudomonassp.denitrificans混菌降解SMX的能力不如Alcaligenes faecalis单菌。利用膜生物反应器混菌降解SMX的研究尚未报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种生物降解磺胺甲恶唑的方法。
本发明的第二个目的是提供一种生物降解磺胺甲恶唑的装置。
本发明的技术方案概述如下：
一种生物降解磺胺甲恶唑的方法，包括如下步骤：
(1)种子培养：将保藏编号为CGMCC No.1.767的粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis)在种子培养基中培养，得到粪产碱杆菌的一级种子；将粪产碱杆菌的一级种子在种子培养基中培养，得到粪产碱杆菌的二级种子；
将保藏编号为ATCC 13867的脱氮假单胞杆菌(Pseudomonas sp.denitrificans)在种子培养基中培养，得到脱氮假单胞杆菌的一级种子；将脱氮假单胞杆菌的一级种子在种子培养基中培养，脱氮假单胞杆菌二级种子；
(2)降解液配制：按体积比为4-6：1的比例将磺胺甲恶唑生产排放废水与基础无机盐培养基混合配成降解液；
(3)将降解液分别装入第一发酵罐和第二发酵罐中；将粪产碱杆菌的二级种子接入装有降解液的第一发酵罐中，将脱氮假单胞杆菌二级种子接入装有降解液的第二发酵罐中，发酵12-16h；
(4)将第一发酵罐中的发酵液以1-2L/h泵入第一中空纤维膜组件过滤得第一种发酵滤液和过滤后的粪产碱杆菌，第一种发酵滤液持续输入到第二发酵罐；将第二发酵罐中的发酵液以1-2L/h泵入第二中空纤维膜组件过滤得第二种发酵滤液和过滤后的脱氮假单胞杆菌，第二种发酵滤液持续输入到第一发酵罐，持续进行2-3h；将第一种发酵滤液输入第一储罐，第二种发酵滤液输入第二储罐；
(5)用第一储罐内的第一种发酵滤液将过滤后的粪产碱杆菌洗回到第一发酵罐中，用第二储罐内的第二种发酵滤液将过滤后的脱氮假单胞杆菌洗回到第二发酵罐中，发酵。
基础无机盐培养基由下述成分以g/L计组成：FeSO4·7H2O 0.05g,MgSO4·7H2O1.20g,(NH4)2SO4 2.5g,Na2EDTA·2H2O 0.09g,CaCl2·2H2O 0.060g,Na2HPO4 22.0g,KH2PO420g,葡萄糖5g，醋酸钠5g，自然pH。
一种生物降解磺胺甲恶唑的装置，包括第一发酵罐1，第二发酵罐2，还包括第一中空纤维膜组件3，第二中空纤维膜组件4，第一贮液罐5，第二贮液罐6，第一泵7，第二泵8，第三泵9，第四泵10，第一节流阀11，第二节流阀12，第三节流阀13，第四节流阀14；第一发酵液输送管15的一端设置在第一发酵罐1内的中下部，另一端与第一中空纤维膜组件3的上部连接；第一泵7设置在第一发酵液输送管上；第一中空纤维膜组件3的顶部通过管道分别与第一节流阀11和第二节流阀12连接，第一节流阀11通过管道与第一贮液罐5连接，第二节流阀12通过管道与第二发酵罐2连接；第一清洗管16的一端设置在第一贮液罐5的中下部，另一端与第一中空纤维膜组件3的顶部连接；第二泵8设置在第一清洗管16上；第一中空纤维膜组件3的底部通过管道与第一发酵罐1的顶部连接；第二发酵液输送管17的一端设置在第二发酵罐2内的中下部，另一端与第二中空纤维膜组件4的上部连接；第三泵9设置在第二发酵液输送管上；第二中空纤维膜组件4的顶部通过管道分别与第三节流阀13和第四节流阀14连接，第三节流阀13通过管道与第二贮液罐6连接，第四节流阀14通过管道与第一发酵罐1连接；第二清洗管18的一端设置在第二贮液罐6的中下部，另一端与第二中空纤维膜组件4的顶部连接；第四泵10设置在第二清洗管18上；第二中空纤维膜组件4的底部通过管道与第二发酵罐2的顶部连接。
本发明优点：
本发明是在Alcaligenes faecalis和Pseudomonas sp.denitrificans混菌降解SMX过程中，当生物量积累到一定程度(发酵12-16h时)，开始利用中空纤维膜交换两个发酵罐内的发酵液，使得两种菌细胞不接触，从而降低了因两种菌体细胞接触带来的对生物量的抑制从而导致SMX降解率不高。中空纤维膜系统能够促进两种菌的生物量，抑制SMX重新合成。
附图说明
图1为一种生物降解磺胺甲恶唑的装置示意图。
图2不同的发酵方法对菌体生物量的影响。
图3不同的发酵方法对SMX降解的影响。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明进一步说明：
本发明涉及的粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)，购买于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCC 1.767。脱氮假单胞杆菌(Pseudomonassp.denitrificans)，购买于美国菌种保藏中心，保藏编号：ATCC 13867。
本发明各实施例所用种子培养基成分以g/L计：牛肉提取物3，NaCl 5，蛋白胨10，pH为7.0；
一种生物降解磺胺甲恶唑的装置，见图1，包括第一发酵罐1，第二发酵罐2，还包括第一中空纤维膜组件3，第二中空纤维膜组件4，第一贮液罐5，第二贮液罐6，第一泵7，第二泵8，第三泵9，第四泵10，第一节流阀11，第二节流阀12，第三节流阀13，第四节流阀14；第一发酵液输送管15的一端设置在第一发酵罐1内的中下部，另一端与第一中空纤维膜组件3的上部连接；第一泵7设置在第一发酵液输送管上；第一中空纤维膜组件3的顶部通过管道分别与第一节流阀11和第二节流阀12连接，第一节流阀11通过管道与第一贮液罐5连接，第二节流阀12通过管道与第二发酵罐2连接；第一清洗管16的一端设置在第一贮液罐5的中下部，另一端与第一中空纤维膜组件3的顶部连接；第二泵8设置在第一清洗管16上；第一中空纤维膜组件3的底部通过管道与第一发酵罐1的顶部连接；第二发酵液输送管17的一端设置在第二发酵罐2内的中下部，另一端与第二中空纤维膜组件4的上部连接；第三泵9设置在第二发酵液输送管上；第二中空纤维膜组件4的顶部通过管道分别与第三节流阀13和第四节流阀14连接，第三节流阀13通过管道与第二贮液罐6连接，第四节流阀14通过管道与第一发酵罐1连接；第二清洗管18的一端设置在第二贮液罐6的中下部，另一端与第二中空纤维膜组件4的顶部连接；第四泵10设置在第二清洗管18上；第二中空纤维膜组件4的底部通过管道与第二发酵罐2的顶部连接。
实施例1
一种生物降解磺胺甲恶唑的方法，包括如下步骤：
(1)种子培养：将-80℃储存的保藏编号为CGMCC No.1.767的粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)接入50mL种子培养基中，在温度30℃，转速220rpm条件下，培养24h，培养，得到粪产碱杆菌的一级种子；将1mL粪产碱杆菌的的一级种子接入100mL的新的种子培养基中在温度30℃，转速220rpm条件下，培养24h，得到粪产碱杆菌的二级种子；
将-80℃储存的保藏编号为ATCC 13867的脱氮假单胞杆菌(Pseudomonassp.denitrificans)接入50mL种子培养基中，在温度30℃，转速220rpm条件下，培养24h，培养，得到脱氮假单胞杆菌的一级种子；将1mL脱氮假单胞杆菌的一级种子接入100mL的新的种子培养基中在温度30℃，转速220rpm条件下，培养24h，得到脱氮假单胞杆菌的二级种子；
(2)降解液配制：将2.4L磺胺甲恶唑生产排放废水(磺胺甲恶唑浓度为65mg/L)与0.6L基础无机盐培养基混合配成降解液；
(3)以本发明的一种生物降解磺胺甲恶唑的装置为例；
将降解液分别装入第一发酵罐1和第二发酵罐2中；将粪产碱杆菌的二级种子按初始OD540为0.2的接种量接入装有3L降解液的第一发酵罐1中，将脱氮假单胞杆菌二级种子按初始OD540为0.2的接种量接入装有3L降解液的第二发酵罐2中，在通空气量为0.5vvm，搅拌转速为300rpm，温度为30℃条件下分别发酵12h；
中空纤维膜灭菌：中空纤维膜组件用1g/L次氯酸钠溶液循环流半小时，然后用灭过的蒸馏水冲洗1小时；
(4)开启第一泵7，将第一发酵罐1中的发酵液以1L/h泵入第一中空纤维膜组件3(中空纤维膜为无菌的孔径为0.2μm且表面积为0.3m2)过滤得第一种发酵滤液和过滤后的粪产碱杆菌，关闭第一节流阀11，开启第二节流阀12，第一种发酵滤液持续输入到第二发酵罐2中；与第一泵7开启的时间为同一时间开启第三泵9，将第二发酵罐2中的发酵液以1L/h泵入第二中空纤维膜组件4(中空纤维膜为无菌的孔径为0.2μm且表面积为0.3m2)过滤得第二种发酵滤液和过滤后的脱氮假单胞杆菌，关闭第三节流阀13，开启第四节流阀14，第二种发酵滤液持续输入到第一发酵罐1中；持续进行2h；
关闭第二节流阀12，开启第一节流阀11，将第一种发酵滤液输入第一储罐，同时，关闭第四节流阀14，开启第三节流阀13，将第二种发酵滤液输入第二储罐；
(5)关闭第一泵7、第三泵9、第一节流阀11、第二节流阀12、第三节流阀13、第四节流阀14，开启第二泵8、第四泵10，用第一储罐5内的第一种发酵滤液将过滤后的粪产碱杆菌洗回到第一发酵罐1中，用第二储罐6内的第二种发酵滤液将过滤后的脱氮假单胞杆菌洗回到第二发酵罐2中，发酵。
基础无机盐培养基成分以g/L计：FeSO4·7H2O 0.05g,MgSO4·7H2O 1.20g,(NH4)2SO4 2.5g,Na2EDTA·2H2O 0.09g,CaCl2·2H2O 0.060g,Na2HPO4 22.0g,KH2PO4 20g,葡萄糖5g，醋酸钠5g，自然pH，121℃蒸汽灭菌20min；
各时间段检测到的生物量见图2，其中AF(with HFM)是第一发酵罐的生物量，PD(with HFM)是第二发酵罐的生物量；各时间段检测到的SMX浓度见图3其中AF(with HFM)是第一发酵罐的SMX浓度，PD(with HFM)是第二发酵罐的SMX浓度。
检测采用高效液相色谱法，高效液相色谱所用的色谱柱为C18柱(250×4.6mm,5μm)，进样量为10μL，流动相为乙腈：0.1％甲酸水溶液＝40:60，流速为1mL.min-1，检测波长为265nm，柱温维持在30℃。不同时间点检测SMX的浓度。
实施例2
一种生物降解磺胺甲恶唑的方法，包括如下步骤：
(1)同实施例1的(1)；
(2)降解液配制：将3L磺胺甲恶唑生产排放废水(磺胺甲恶唑浓度为65mg/L)与0.6L基础无机盐培养基混合配成降解液；
(3)将降解液分别装入第一发酵罐1和第二发酵罐2中；将粪产碱杆菌的二级种子按初始OD540为0.2的接种量接入装有3L降解液的第一发酵罐1中，将脱氮假单胞杆菌二级种子按初始OD540为0.2的接种量接入装有3L降解液的第二发酵罐2中，在通空气量为0.5vvm，搅拌转速为300rpm，温度为30℃条件下分别发酵14h；
(4)将第一发酵罐中的发酵液以1.5L/h泵入第一中空纤维膜组件3(中空纤维膜为无菌的孔径为0.2μm且表面积为0.3m2)过滤得第一种发酵滤液和过滤后的粪产碱杆菌，第一种发酵滤液持续输入到第二发酵罐2；将第二发酵罐中的发酵液以1.5L/h泵入第二中空纤维膜组件4(中空纤维膜为无菌的孔径为0.2μm且表面积为0.3m2)过滤得第二种发酵滤液和过滤后的脱氮假单胞杆菌，第二种发酵滤液持续输入到第一发酵罐1，持续进行3h；将第一种发酵滤液输入第一储罐5，第二种发酵滤液输入第二储罐6；
(5)用第一储罐5内的第一种发酵滤液将过滤后的粪产碱杆菌洗回到第一发酵罐1中，用第二储罐6内的第二种发酵滤液将过滤后的脱氮假单胞杆菌洗回到第二发酵罐2中，发酵。
实验证明，本实施例在与实施例1的时间点相同的情况下，第一发酵罐和第二发酵罐的生物量以及各自的SMX的浓度与实施例1的结果相似。
实施例3
一种生物降解磺胺甲恶唑的方法，包括如下步骤：
(1)同实施例1的(1)；
(2)降解液配制：将3.6L磺胺甲恶唑生产排放废水(磺胺甲恶唑浓度为65mg/L)与0.6L基础无机盐培养基混合配成降解液；
(3)将降解液分别装入第一发酵罐1和第二发酵罐2中；将粪产碱杆菌的二级种子按初始OD540为0.2的接种量接入装有3L降解液的第一发酵罐1中，将脱氮假单胞杆菌二级种子按初始OD540为0.2的接种量接入装有3L降解液的第二发酵罐2中，在通空气量为0.5vvm，搅拌转速为300rpm，温度为30℃条件下分别发酵16h；
(4)将第一发酵罐中的发酵液以2L/h泵入第一中空纤维膜组件3(中空纤维膜为无菌的孔径为0.2μm且表面积为0.3m2)过滤得第一种发酵滤液和过滤后的粪产碱杆菌，第一种发酵滤液持续输入到第二发酵罐2；将第二发酵罐中的发酵液以2L/h泵入第二中空纤维膜组件4(中空纤维膜为无菌的孔径为0.2μm且表面积为0.3m2)过滤得第二种发酵滤液和过滤后的脱氮假单胞杆菌，第二种发酵滤液持续输入到第一发酵罐1，持续进行2.5h；将第一种发酵滤液输入第一储罐5，第二种发酵滤液输入第二储罐6；
(5)用第一储罐5内的第一种发酵滤液将过滤后的粪产碱杆菌洗回到第一发酵罐1中，用第二储罐6内的第二种发酵滤液将过滤后的脱氮假单胞杆菌洗回到第二发酵罐2中，发酵。
实验证明，本实施例在与实施例1的时间点相同的情况下，第一发酵罐和第二发酵罐的生物量以及各自的SMX的浓度与实施例1的结果相似。
对比例1
粪产碱杆菌和脱氮假单胞杆菌在两个发酵罐内单独培养降解SMX，不进行发酵液交换。(1)～(2)同实施例1(1)～(2)；
(3)将粪产碱杆菌的二级种子、脱氮假单胞杆菌二级种子分别按初始OD540为0.2的接种密度，接入5L装有3L降解液的两个发酵罐中，在通气量为0.5vvm，搅拌转速为300rpm，温度为30℃，进行发酵。各时间段检测到的生物量如图2所示，其中AF为粪产碱杆菌降解结果；PD为脱氮假单胞杆菌降解结果；各时间段检测到的SMX浓度如图所示，其中AF为粪产碱杆菌降解结果；PD为脱氮假单胞杆菌降解结果。
对比例2
粪产碱杆菌和脱氮假单胞杆菌在一个发酵罐内混合培养降解SMX，不进行发酵液交换。(1)～(2)同实施例1(1)～(2)；
(3)按初始总OD540为0.2的接种密度，接种比例为粪产碱杆菌和脱氮假单胞杆菌1:1接种比例，接入5L装有3L降解液的发酵罐中，在通气量为0.5vvm，搅拌转速为300rpm，温度为30℃，进行发酵。各时间段检测到的生物量如图2中AF&PD所示，AF&PD；各时间段检测到的SMX浓度如图3中的AF&PD所示。

Claims (3)

1.一种生物降解磺胺甲恶唑的方法，其特征包括如下步骤：
(1)种子培养：将保藏编号为CGMCC No.1.767的粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)在种子培养基中培养，得到粪产碱杆菌的一级种子；将粪产碱杆菌的一级种子在种子培养基中培养，得到粪产碱杆菌的二级种子；
将保藏编号为ATCC 13867的脱氮假单胞杆菌(Pseudomonas sp.denitrificans)在种子培养基中培养，得到脱氮假单胞杆菌的一级种子；将脱氮假单胞杆菌的一级种子在种子培养基中培养，得到脱氮假单胞杆菌二级种子；
(2)降解液配制：按体积比为4-6：1的比例将磺胺甲恶唑生产排放废水与基础无机盐培养基混合配成降解液；
(3)将降解液分别装入第一发酵罐和第二发酵罐中；将粪产碱杆菌的二级种子接入装有降解液的第一发酵罐中，将脱氮假单胞杆菌二级种子接入装有降解液的第二发酵罐中，发酵12-16h；
(4)将第一发酵罐中的发酵液以1-2L/h泵入第一中空纤维膜组件过滤得第一种发酵滤液和过滤后的粪产碱杆菌，第一种发酵滤液持续输入到第二发酵罐；将第二发酵罐中的发酵液以1-2L/h泵入第二中空纤维膜组件过滤得第二种发酵滤液和过滤后的脱氮假单胞杆菌，第二种发酵滤液持续输入到第一发酵罐，持续进行2-3h；将第一种发酵滤液输入第一储罐，第二种发酵滤液输入第二储罐；
(5)用第一储罐内的第一种发酵滤液将过滤后的粪产碱杆菌洗回到第一发酵罐中，用第二储罐内的第二种发酵滤液将过滤后的脱氮假单胞杆菌洗回到第二发酵罐中，发酵。
2.根据权利要求1所述的一种生物降解磺胺甲恶唑的方法，其特征是所述基础无机盐培养基由下述成分以g/L计组成：FeSO4·7H2O 0.05g,MgSO4·7H2O 1.20g,(NH4)2SO42.5g,Na2EDTA·2H2O 0.09g,CaCl2·2H2O 0.060g,Na2HPO422.0g,KH2PO420g,葡萄糖5g，醋酸钠5g，自然pH。
3.一种生物降解磺胺甲恶唑的装置，其特征包括第一发酵罐(1)，第二发酵罐(2)，其特征是还包括第一中空纤维膜组件(3)，第二中空纤维膜组件(4)，第一贮液罐(5)，第二贮液罐(6)，第一泵(7)，第二泵(8)，第三泵(9)，第四泵(10)，第一节流阀(11)，第二节流阀(12)，第三节流阀(13)，第四节流阀(14)；第一发酵液输送管(15)的一端设置在第一发酵罐(1)内的中下部，另一端与第一中空纤维膜组件(3)的上部连接；第一泵(7)设置在第一发酵液输送管上；第一中空纤维膜组件(3)的顶部通过管道分别与第一节流阀(11)和第二节流阀(12)连接，第一节流阀(11)通过管道与第一贮液罐(5)连接，第二节流阀(12)通过管道与第二发酵罐(2)连接；第一清洗管(16)的一端设置在第一贮液罐(5)的中下部，另一端与第一中空纤维膜组件(3)的顶部连接；第二泵(8)设置在第一清洗管(16)上；第一中空纤维膜组件(3)的底部通过管道与第一发酵罐(1)的顶部连接；第二发酵液输送管(17)的一端设置在第二发酵罐(2)内的中下部，另一端与第二中空纤维膜组件(4)的上部连接；第三泵(9)设置在第二发酵液输送管上；第二中空纤维膜组件(4)的顶部通过管道分别与第三节流阀(13)和第四节流阀(14)连接，第三节流阀(13)通过管道与第二贮液罐(6)连接，第四节流阀(14)通过管道与第一发酵罐(1)连接；第二清洗管(18)的一端设置在第二贮液罐(6)的中下部，另一端与第二中空纤维膜组件(4)的顶部连接；第四泵(10)设置在第二清洗管(18)上；第二中空纤维膜组件(4)的底部通过管道与第二发酵罐(2)的顶部连接。
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