CN108728377A - 一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株、培养方法及其应用 - Google Patents

一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株、培养方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株、培养方法及其应用。该菌株为Pseudomonas sp.ZSY，在厌氧条件下通过异养反硝化过程将废水中硝酸盐或亚硝酸盐转化为氮气，将废水中有机氮通过氨化过程转化为氨氮。在好氧条件下通过好氧反硝化脱除废水中的硝酸盐或亚硝酸盐产生氮气，通过异养硝化过程将废水中的氨氮转化为硝酸盐并通过好氧反硝化过程最终转化为氮气，通过异养硝化好氧反硝化过程同步脱除废水中的氨氮和硝酸盐，最终产物为氮气，通过氨化、异养硝化好氧反硝化过程将废水中有机氮转化为氮气。该菌株将废水中有机氮转化为氮气的功能，实现废水中有机氮和无机氮的同步矿化去除，在废水脱氮领域用途较大。

Description

一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌 株、培养方法及其应用
技术领域
本发明属于环境生物技术领域，涉及一株从广西滨州河口污泥中筛选出的同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株、培养方法及在废水脱氮处理过程中的应用。
背景技术
随着各国经济的快速发展，环境问题日益严重。生活污水、工业废水等不断排放水体中，造成水体氮素含量增加，引起水体富营养化，影响了水生生物的生长和繁殖。因此，探究如何有效经济的去除水体中氮素污染成为污水治理的关键。生物脱氮工艺因其运行简单，前期建设费用投资少，不易造成二次污染等优点广受废水脱氮工艺研究者的青睐。
然而，传统的生物脱氮是以好氧自养硝化和厌氧异养反硝化相结合为基础，在处理污水时需要设置两个反应器，相应增加了建设成本。自养型硝化菌生长代谢周期较长，在处理废水过程中很难达到较高浓度，微生物生长速度缓慢，使得处理效率低。因上述诸多弊端传统生物脱氮工艺已不满足实际应用需求，新型脱氮工艺的兴起成为污水治理的必然趋势。
近几年新型脱氮工艺的不断发展，同步硝化反硝化工艺不断得到业内人士的认可。该工艺反硝化过程中产生的碱度可以部分补偿硝化引起的酸化，从而降低pH调节的成本。与传统的生物脱氮工艺相比，硝化反应器简化了系统设计，加快了单曝气阶段的脱氮速度。同步硝化反硝化工艺中主要是利用异养硝化-好氧反硝化菌进行氨氮脱除。这类菌株能够在同一反应器内实现同步硝化和反硝化过程，将氨氮转化为氮气，大大节约了建设费用和投加试剂成本，并且对氨氮具有很高的去除率。到目前为止，这一能力的细菌已被证明在许多细菌物种的出现，如Rhodococcus sp.CPZ24(Bioresource Technology[J].2012,116:266-270.)、Klebsiella pneumoniae CF-S9(International Biodeterioration&Biodegradation[J].2013,78:67-73.)、Vibrio diabolicus SF16(BioresourceTechnology[J].2015,179:421-428.)、Anoxybacillus contaminans HA(AppliedMicrobiology And Biotechnology[J].2015,99(24):10695-10702.)、Pseudomonastolaasii Y-11(Bioresource Technology[J].2016,200:493-499.)等等，这些功能菌比自养硝化微生物表现出更高的增长率，而且能利用各种有机基质达到同步硝化反硝化的目的。
在实际废水中不仅只含有无机氮还含有组成成分复杂的有机氮，将有机氮如何转化为无机氮也显得尤为重要。匡燕等已筛选出一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的菌株Delftia acidovorans BH11，该菌不仅具有氨化功能降解多种有机氮，同时还具有异养硝化好氧反硝化功能(匡燕.水体氨化细菌的分离鉴定及特性研究[D].华中农业大学,2012.)，上述菌株有助于有机氮在一个反应器中直接转化为氮气。
发明内容
本发明的目的在于提供一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株及其在废水脱氮处理中的应用。该菌在厌氧条件下可将废水中硝酸盐或亚硝酸盐转化为氮气，将有机氮转化为氨氮。该菌在好氧条件下可以将废水中的硝酸盐或亚硝酸盐转化为氮气，将氨氮最终转化为氮气，可以同步脱除废水中的氨氮和硝酸盐，最终产物为氮气，可以将有机氮转化为氮气。
本发明的技术方案：
一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株，该假单胞菌菌株为Pseudomonas sp.ZSY，Genbank登陆号为MF438048。
一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株的培养方法，步骤如下：
在厌氧条件下，将假单胞菌菌株ZSY接种于培养基中，培养条件为：pH 7.0～ 7.2，30℃，恒温静置培养。
在厌氧条件下所用的培养基包括废水厌氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基和废水氨化脱除有机氮培养基；
废水厌氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基组分：硝酸盐氮或亚硝酸盐氮140mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
废水氨化脱除有机氮培养基组分：有机氮源天冬酰胺1.0g/L、柠檬酸钠8.5 g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2 g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
在好氧条件下，将假单胞菌菌株ZSY接种于培养基中，培养条件为：pH 7.0～ 7.2，30℃，恒温120rpm转速条件下培养。
在好氧条件下所用的培养基包括废水好氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基、废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮培养基、废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐培养基和废水好氧氨化脱除有机氮培养基；
废水好氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基组分：硝酸盐氮或亚硝酸盐氮300mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮培养基组分：铵态氮300mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐培养基组分：铵态氮和硝酸盐氮各120mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、 FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
废水好氧氨化脱除有机氮培养基组分：有机氮源天冬酰胺1.0g/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、 CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
假单胞菌菌株ZSY的用途如下：
在厌氧条件下：
该菌用于废水异养反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐：以有机碳源柠檬酸钠作为电子供体将废水中硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气。
该菌用于废水氨化脱除有机氮：菌株通过氨化作用将废水中有机氮转化为氨氮，能够实现将有机氮转化为无机氮的过程，在此条件下不能进一步将氨氮氧化为硝酸盐或亚硝酸盐。
在好氧条件下：
该菌用于废水好氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐：菌株以有机碳源柠檬酸钠作为电子供体将废水中硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气。
该菌用于废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮：菌株通过硝化作用将废水中氨氮转化为硝酸盐，在此条件下通过好氧反硝化进一步将产生的硝酸盐还原为亚硝酸盐，最终生成氮气。
该菌用于废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐：菌株通过异养硝化好氧反硝化功能同时利用废水中的氨氮和硝酸盐，将氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，再通过反硝化作用将上述产生的亚硝酸盐、硝酸盐和底物硝酸盐同步去除，实现同步脱除氨氮和硝酸盐，最终生成氮气。
该菌用于废水好氧氨化脱氮除有机氮：菌株通过氨化作用将废水中有机氮转化为氨氮，再进一步将氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，最终生成氮气。能够实现有机氮转化为氮气的过程。
本发明的有益效果：
菌株ZSY在厌氧条件下可通过异养反硝化过程将废水中硝酸盐或亚硝酸盐转化为氮气，可以将废水中有机氮通过氨化过程转化为氨氮。该菌在好氧条件下可以通过好氧反硝化脱除废水中的硝酸盐或亚硝酸盐，可以通过异养硝化过程将废水中的氨氮转化为硝酸盐并通过好氧反硝化过程最终转化为氮气，可以通过异养硝化好氧反硝化过程同步脱除废水中的氨氮和硝酸盐，最终产物为氮气，可以通过氨化、异养硝化好氧反硝化过程将有机氮转化为氮气。该菌具有将废水中有机氮转化为氮气的功能，可以实现废水中有机氮和无机氮的同步矿化去除，在废水脱氮领域用途较大。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1:本发明菌株用于废水厌氧反硝化脱除硝酸盐
废水厌氧反硝化脱除硝酸盐培养基：KNO3 1g/L(NO3 --N浓度为140mg/L)、柠檬酸钠8.5g/L、KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、 CaCl2·2H2O 0.2g/L，调节pH至7.0～7.2，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用废水厌氧反硝化脱除硝酸盐培养基，在厌氧条件下，取培养至对数生长期的菌液按1％(V/V)接种至100ml以KNO3为唯一氮源的反硝化培养基中，放置厌氧培养箱中培养，培养温度为30℃。定期取样测定硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度变化，结果见表1。从表1中可以看出，初始浓度含有140mg/L的NO3 --N，菌株能进行反硝化过程，经过24h的培养后，NO3 --N的去除效率能够达到99.54％，且几乎无NO2 --N的残留
表1菌株ZSY厌氧反硝化脱除硝酸盐
实施例2:本发明菌株用于废水厌氧氨化脱除有机氮天冬酰胺
废水厌氧氨化脱除有机氮培养基：天冬酰胺1g/L(氮含量211.93mg/L)、柠檬酸钠8.5g/L、KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、 CaCl2·2H2O 0.2g/L，调节pH至7.0～7.2，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用废水厌氧氨化脱脱除有机氮培养基，在厌氧条件下，取培养至对数生长期的菌液按1％(V/V)接种至100ml以天冬酰胺为唯一氮源的氨化培养基中，放置厌氧培养箱中培养，培养温度为30℃。定期取样测定铵态氮浓度变化，结果见表2。从表2中可以看出，初始培养时间含有0mg/L的NH4 +-N，培养过程不断产生NH4 +-N，经过60h的培养后，NH4 +-N浓度为27.33mg/L。
表2菌株ZSY厌氧氨化脱除废水中有机氮天冬酰胺
实施例3:本发明菌株用于废水好氧反硝化脱除硝酸盐
废水好氧反硝化脱除硝酸盐培养基：硝酸盐氮300mg/L、柠檬酸钠8.5g/L、 KH2PO41.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，调节pH至7.0～7.2，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用废水好氧反硝化脱除硝酸盐培养基，在好氧条件下，取培养至对数生长期的菌液按1％(V/V)接种至100ml以KNO3为唯一氮源的反硝化培养基中，放置在摇床中培养，培养条件为120rpm/min,30℃。定期取样测定硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度变化，结果见表3。从表3中可以看出，初始浓度含有300mg/L 的NO3 --N，菌株能进行反硝化过程，经过24h的培养后，NO3 --N的去除效率能够达到99.52％，且几乎无NO2 --N的残留。
表3菌株ZSY好氧反硝化脱除硝酸盐
实施例4:本发明菌株用于废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮
废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮培养基：铵态氮300mg/L、柠檬酸钠8.5 g/L、KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2 g/L，调节pH至7.0～7.2，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮培养基，在好氧条件下，取培养至对数生长期的菌液按1％(V/V)接种至100ml以NH4Cl为唯一氮源的异养硝化培养基中，放置在摇床中培养，培养条件为120rpm/min,30℃。定期取样测定铵态氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度变化，结果见表4。从表4中可以看出，初始浓度含有300mg/L的NH4 +-N，菌株能进行异养硝化和好氧反硝化，经过48h 的培养后，NH4 +-N的去除效率能够达到100％，且几乎无NO2 --N或NO3 --N的积累。
表4菌株ZSY异养硝化好氧反硝化脱除氨氮
实施例5:本发明菌株用于废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐
废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐培养基组分：硝酸盐氮和铵态氮各120mg/L、柠檬酸钠按8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、 FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
使用废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐培养基，在好氧条件下，取培养至对数生长期的菌液按1％(V/V)接种至100ml以硝酸盐氮和铵态氮为氮源的异养硝化好氧反硝化培养基中，放置在摇床中培养，培养条件为120 rpm/min,30℃。定期取样测定铵态氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度变化，结果见表5。从表5中可以看出，初始浓度含有120mg/L的NH4 +-N和NO3 --N，菌株能进行异养硝化好氧反硝化，经过24h的培养后，NH4 +-N和NO3 --N的去除效率均能达到100％，经过60h的培养后，无NO2 --N的残留。
表5菌株ZSY异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐
实施例6:本发明菌株用于废水好氧氨化脱氮除有机氮天冬酰胺
废水好氧氨化脱除有机氮培养基：天冬酰胺1g/L(氮含量211.93mg/L)、柠檬酸钠8.5g/L、KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、 CaCl2·2H2O 0.2g/L，调节pH至7.0～7.2，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用废水好氧氨化脱脱除有机氮培养基，在好氧条件下，取培养至对数生长期的菌液按1％(V/V)接种至100ml以天冬酰胺为唯一氮源的氨化培养基中，放置在摇床中培养，培养条件为120rpm/min,30℃。定期取样测定铵态氮浓度变化，结果见表6。从表6中可以看出，初始培养时间含有0mg/L的NH4 +-N，培养过程不断产生NH4 +-N，在14h时，NH4 +-N浓度产量最大118.77mg/L，此时氨化率最高为56.04％。经过24h的培养后，NH4 +-N浓度为0mg/L，期间因为菌株可以利用了铵盐进行异养硝化好氧反硝化生成氮气，使得NH4 +-N浓度下降。
表6菌株ZSY好氧氨化脱除废水中有机氮天冬酰胺
序列表
<110> 大连理工大学
<120> 一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株、培养方法及其应用
<141> 2018-05-18
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1451
<212> DNA
<213> 人工序列(2 Ambystoma laterale x Ambystoma jeffersonianum)
<400> 1
acgctggcgg caggcctaac acatgcaagt cgagcggcag cgggtccttc gggatgtcgg 60
cgagcggcgg acgggtgagt aatgcctagg aatctgcctg gtagtggggg ataactcggg 120
gaaactcgag ctaataccgc atacgtccta cgggagaaag cgggggatct tcggacctcg 180
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tcagaatgtc acggtgaata cgttcccggg ccttgtacac accgcccgtc acaccatggg 1380
agtgggttgc tccagaagta gctagtctaa ccttcggggg gacggttacc acggagtgat 1440
tcatgactgg g 1451

Claims (5)

1.一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株，其特征在于，该假单胞菌菌株为Pseudomonas sp.ZSY，Genbank登陆号为MF438048。
2.一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株的培养方法，其特征在于，步骤如下：
在厌氧条件下，将假单胞菌菌株ZSY接种于培养基中，培养条件为：pH 7.0～7.2，30℃，恒温静置培养；
在厌氧条件下所用的培养基包括废水厌氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基和废水氨化脱除有机氮培养基；
废水厌氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基组分：硝酸盐氮或亚硝酸盐氮140mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废水氨化脱除有机氮培养基组分：有机氮源天冬酰胺1.0g/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO41.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
3.一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株的培养方法，其特征在于，步骤如下：
在好氧条件下，将假单胞菌菌株ZSY接种于培养基中，培养条件为：pH 7.0～7.2，30℃，恒温120rpm转速条件下培养；
在好氧条件下所用的培养基包括废水好氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基、废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮培养基、废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐培养基和废水好氧氨化脱除有机氮培养基；
废水好氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐培养基组分：硝酸盐氮或亚硝酸盐氮300mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮培养基组分：铵态氮300mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐培养基组分：铵态氮和硝酸盐氮各120mg/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废水好氧氨化脱除有机氮培养基组分：有机氮源天冬酰胺1.0g/L、柠檬酸钠8.5g/L，KH2PO4 1.0g/L、MgSO4·7H2O 1.0g/L、FeCl3·6H2O 0.05g/L、CaCl2·2H2O 0.2g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
4.一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株假单胞菌菌株的用途，其特征在于，步骤如下：
在厌氧条件下：
该假单胞菌菌株用于废水异养反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐：以有机碳源柠檬酸钠作为电子供体将废水中硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气；
该假单胞菌菌株用于废水氨化脱除有机氮：菌株通过氨化作用将废水中有机氮转化为氨氮，实现将有机氮转化为无机氮的过程，在此条件下不能进一步将氨氮氧化为硝酸盐或亚硝酸盐。
5.一株同时具有异养硝化好氧反硝化和氨化功能的假单胞菌菌株假单胞菌菌株的用途，其特征在于，步骤如下：
在好氧条件下：
该假单胞菌菌株用于废水好氧反硝化脱除硝酸盐或亚硝酸盐：菌株以有机碳源柠檬酸钠作为电子供体将废水中硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气；
该假单胞菌菌株用于废水异养硝化好氧反硝化脱除氨氮：菌株通过硝化作用将废水中氨氮转化为硝酸盐，在此条件下通过好氧反硝化进一步将产生的硝酸盐还原为亚硝酸盐，最终生成氮气；
该假单胞菌菌株用于废水异养硝化好氧反硝化同步脱除氨氮和硝酸盐：菌株通过异养硝化好氧反硝化功能同时利用废水中的氨氮和硝酸盐，将氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，再通过反硝化作用将上述产生的亚硝酸盐、硝酸盐和底物硝酸盐同步去除，实现同步脱除氨氮和硝酸盐，最终生成氮气；
该假单胞菌菌株用于废水好氧氨化脱氮除有机氮：菌株通过氨化作用将废水中有机氮转化为氨氮，再进一步将氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，最终生成氮气。
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