CN108753581A - 一种铁还原氨氧化菌富集装置和富集工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境微生物技术领域，具体涉及一种铁还原氨氧化菌富集装置和富集工艺。本发明所述的一种铁还原氨氧化菌富集装置，包括厌氧反应罐和位于厌氧反应罐外部的磁性分离装置；所述磁性分离装置设置于所述厌氧反应罐的底部或侧部；所述磁性分离装置包括磁铁。本发明还提供利用上述装置进行铁还原氨氧化菌富集工艺，通过将所需微生物聚集于富集剂上，通过对厌氧反应罐中的培养基进行多次补充和更换，且每次培养基的更换过程中无需对微生物进行分离，因此，可在短时间内培养大量微生物，且无需离心分离步骤能够直接得到应用于环境治理过程中的微生物。
Description
技术领域
本发明属于环境微生物技术领域，具体涉及一种铁还原氨氧化菌富集装置和富集工艺。
背景技术
铁还原菌是在厌氧条件下能介导三价铁还原的微生物的统称。在厌氧条件下，铁还原菌在还原三价铁的同时能将有机质彻底氧化分解成二氧化碳并影响重金属的迁移和转化，除三价铁外，铁还原菌还能还原其他变价金属，如U(VI)和Cr(VI)，可将U(VI)还原为不溶解的U(IV)，使之原位固定化，将毒性强的Cr(VI)被还原成毒性弱的Cr(III))，因此铁还原菌可以广泛应用于环境修复治理工程项目中。
值得关注的是，有的铁还原菌在还原三价铁的同时还能氧化氨氮，这种铁还原菌也叫做铁还原氨氧化菌，因此，将铁还原氨氧化菌应用于污水处理能脱除污水中的氮，铁还原菌在水处理和环境修复治理中具有广阔的应用前景。而如何快速筛选、富集到大量铁还原菌对于工程应用具有重要意义。
CN104745519A公开了一种筛选异化铁还原细菌的方法，通过液体培养基和固体培养基相结合的方法，通过多次离心和涂平板分离铁还原菌纯菌；但是，在环境修复治理工程项目中，起作用的是功能微生物菌群，并不要求铁还原菌为纯菌，但需要能快递大量的繁殖铁还原功能菌群。因此，该专利中公开的方法操作显然存在操作条件复杂繁琐，耗时长。
此外，目前厌氧微生物培养装置大多是厌氧手套箱或厌氧培养罐，厌氧手套箱结构复杂、成本昂贵，操作繁琐，厌氧培养罐结构简单、成本低廉，操作容易，但不适合液体培养基，且也不适合工程上对厌氧菌大需求量的培养。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提供一种铁还原氨氧化菌富集装置和富集工艺，本发明提供的装置包括厌氧反应罐和位于厌氧反应罐外部的磁性分离装置；利用上述装置进行铁还原氨氧化菌富集工艺，通过将所需微生物聚集于富集剂上，通过对厌氧反应罐中的培养基进行多次补充和更换，且每次培养基的更换过程中无需对微生物进行分离，可在短时间内培养大量微生物，且无需离心分离步骤能够直接得到应用于环境治理过程中的微生物。能够解决背景技术中提出的，现有的微生物富集方法分离操作繁琐和富集时间长的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的一方面在于提供一种铁还原氨氧化菌富集装置，包括厌氧反应罐和位于厌氧反应罐外部的磁性分离装置；所述磁性分离装置设置于所述厌氧反应罐的底部或侧部；所述磁性分离装置包括磁铁。
优选地，所述磁性分离装置位于厌氧反应罐的底部，所述磁性分离装置还包括外壳，所述外壳内壁设置有滑槽；所述外壳内滑动设置有钢板，所述钢板上设置有与滑槽配合的凸块；所述磁铁设置于所述钢板上。
优选地，所述厌氧反应罐腰部内凹形成环状容纳腔，所述磁铁分离装置设置于所述容纳腔上。
优选地，所述厌氧反应罐中下部横截面逐渐缩小形成漏斗状斜面，所述磁铁分离装置设置于漏斗状斜面。
优选地，所述厌氧反应罐下方远离排料的一端向内收缩形成阶梯状斜面；所述磁铁分离装置设置于阶梯状斜面上。
优选地，所述厌氧反应罐为玻璃材质。
优选地，所述磁铁为电磁铁或永久性磁铁。
优选地，所述铁还原氨氧化菌富集装置还包括收集罐和真空泵；所述厌氧反应罐的顶部设置有加料口；所述厌氧反应罐的侧壁上设置有进气管和排气管；所述厌氧反应罐和所述收集罐通过排料管连接；所述收集罐通过抽真空管与真空泵连接。
本发明的另一方面在于提供一种铁还原氨氧化菌富集工艺，包括如下步骤：
(1)加料：向厌氧反应器内加入含菌的土壤悬液、液体培养基、三价铁源和铁还原菌富集剂得到微生物培养液，所述微生物培养液中Fe3+的浓度为600～3000mg/L，氨氮浓度为50～200mg/L；所述厌氧反应器为如上所述的铁还原氨氧化菌富集装置；
(2)培养：在氮气保护下进行厌氧培养，当微生物培养液中氨氮浓度低于10mg/L时，将培养液抽出，并投入新的液体培养基继续进行培养，控制总培养时长为3～8天；
(3)分离：培养结束后，将厌氧反应器内的培养液抽出，吸附有铁还原氨氧化菌的铁还原富集剂附着在厌氧反应器内壁上，移除磁铁，厌氧反应器内的固体物质即为富集的铁还原氨氧化菌。
优选地，所述三价铁源为无定形水铁矿、针铁矿、赤铁矿或氯化铁中的一种或多种。
优选地，铁还原菌富集剂为纳米四氧化三铁。
优选地，所述含菌土壤为水稻土、湿地土壤或市政浓缩污泥，所述含菌土壤悬液的土水比为1：9。
与现有技术相比，本发明的技术方案能够获得的有益效果如下：
(1)本发明提供的铁还原氨氧化菌富集装置，所需微生物将聚集于富集剂上，在排除培养液中的培养基时，利用厌氧反应罐外部的磁铁控制将富集剂紧紧的吸附在厌氧反应罐内壁，反复进行多次培养后，即可实现所需微生物的富集因此能够明显缩短培养时间，与不加铁还原剂的方案相比，在富集相同量的微生物的情况下，培养时间可缩短1～2周。
(2)分离方式简单易于操作：本发明提供的装置中，将液体培养基从出水口排除后，再移除固体永久性磁铁，厌氧反应器内的固体物质及为富集的铁还原菌，因此无需采用现有技术中繁琐的离心分离方法。
附图说明
图1为本发明所述铁还原氨氧化菌富集装置的结构示意图；
图2为图1中A部位的局部放大图；
图3为本发明所述厌氧反应罐的第二种优化实施方案的结构示意图；
图4为本发明所述厌氧反应罐的第三种优化实施方案的结构示意图；
图5为本发明所述厌氧反应罐的第四种优化实施方案的结构示意图；
图中：1-厌氧反应罐；11-加料口；12-进气管；13-排气管；14-排料阀；16-容纳腔；17-台阶状斜面；18-漏斗状斜面；19-排料管；2-收集罐；22-抽真空管；25-抽真空管阀门；4-真空泵；51-外壳；511-滑槽；52-钢板；521-凸块；53-磁铁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：铁还原氨氧化菌富集装置
参见附图1-5所示，本发明所述的一种铁还原氨氧化菌富集装置可用于铁还原氨氧化菌的富集和分离；具体地，所述铁还原氨氧化菌富集装置包括厌氧反应罐1和位于厌氧反应罐1外部的磁性分离装置5；所述磁性分离装置5设置于所述厌氧反应罐1的底部或侧部；所述磁性分离装置5包括磁铁53。
图2示出了图1中A部位的局部放大，是本发明的第一种优化实施方案，从图2可以看出，所述磁性分离装置5位于厌氧反应罐1的底部，所述磁性分离装置5还包括外壳51，所述外壳51内壁设置有滑槽511；所述外壳51内滑动设置有钢板52，所述钢板52上设置有与滑槽511配合的凸块521；所述磁铁53设置于所述钢板52上。此种设计结构通过将钢板52拉出即可方便地将磁铁53从外壳51中移除。作为具体的实施方案，所述外壳51为ABS塑料材质；所述钢板52为普通304钢或医用316不锈钢；所述磁铁53为永久性磁铁。
图3示出了所述装置的另一种优化实施方案，具体地，所述厌氧反应罐1腰部内凹形成环状容纳腔16，所述磁铁分离装置5设置于所述容纳腔16上。所述磁性分离装置5可仅包含磁铁53，所述磁铁53可直接放置在所述容纳腔16上，当然为了防止磁铁53在使用过程中掉落，还可使用绑带或者胶水等将磁铁53可拆卸地固定在所述容纳腔16内。
图5示出了所述装置的另一种优化实施方案，具体地，所述厌氧反应罐1中下部横截面逐渐缩小形成漏斗状斜面18，所述磁铁分离装置5设置于漏斗状斜面18上。
图4示出了所述装置的另一种优化实施方案，具体地，所述厌氧反应罐1下方远离排料的一端向内收缩形成阶梯状斜面17；所述磁铁分离装置5设置于阶梯状斜面17上。
对于上述优化的实施方案，当磁性分离装置5设置于所述厌氧反应罐1的侧部时，并按照上述优选地设置斜面或容纳腔，能够较好地将富集有铁还原菌的铁还原菌富集剂与厌氧反应罐1下方沉积的污泥分离；污泥可通过厌氧反应罐1下方的排泥口排出(图中未示出排泥口)；此种方法能制取较高纯度的菌；所述磁性分离装置5可仅包含磁铁53，本领域技术人员可以采用现有技术中的可拆卸的固定方式，例如绑带或者在厌氧反应罐1的相应位置上套上弹性橡胶圈，再将磁铁53设置于弹性橡胶圈的上方或内部；当需要移除磁铁时，解开绑带或者弹性橡胶圈即可。当然本发明的磁铁53还可以是电磁铁，电磁铁可以采用上述的方案进行可拆卸的固定方式，也可以选择永久性的固定方式，在培养时，向电磁铁通电，电磁铁获得磁性，对培养液中的铁还原富集剂进行吸附，富集完毕后，通过电路对电磁铁断电，磁性消失；富集有铁还原菌的铁还原菌富集剂落入厌氧反应罐1。
进一步地，所述厌氧反应罐1为玻璃材质。
在本发明的一种具体实施方案中，所述铁还原氨氧化菌富集装置还包括收集罐2和真空泵4；所述厌氧反应罐1的顶部设置有加料口11；所述厌氧反应罐1的侧壁上设置有进气管12和排气管13；所述厌氧反应罐1和所述收集罐2通过排料管19连接；所述收集罐2通过抽真空管22与真空泵4连接；所述收集罐2用于收集废弃的液体培养基。
实施例2：铁还原氨氧化菌富集工艺
一种铁还原氨氧化菌富集工艺，包括如下步骤：
采用实施例1所述的铁还原氨氧化菌富集装置作为反应装置，首先向厌氧反应罐1内依次加入含菌的水稻土悬液(土水比为1：9)、液体培养基、无定形水铁矿和纳米四氧化三铁得到微生物培养液，制得的微生物培养液中Fe3+的浓度为1800mg/L，氨氮浓度为120mg/L；
本发明中液体培养基采用PIPES-缓冲液(10mM,pH 6.8)淡水培养基，其中包括：0.11mM的MgCl2、0.61mM CaCl2、2mM NaHCO3、0.5mM NH4Cl、0.05mM KH2PO4、维生素及微量元素。
通过进气管12向厌氧反应罐1内通入氮气；通过排气管13排尽厌氧反应罐1内的空气使得厌氧反应罐1在培养过程中保持厌氧状态，在25℃左右进行培养，当检测微生物培养液中氨氮浓度低于10mg/L时(氨氮检测方法参考国家标准，本发明采用纳氏试剂法)，打开排料阀14和抽真空管阀门25，开启真空泵4将厌氧反应罐1内部的培养液排入收集罐2中；培养液排完后，关闭排料阀14和抽真空管阀门25；向厌氧反应罐1中投入新的液体培养基，再进行培养如此循环培养多次，控制总培养时长为6天；
(3)分离：培养完毕后，打开排料阀14和抽真空管阀门25，开启真空泵4将厌氧反应罐1内部的培养液排入收集罐2中；吸附有铁还原氨氧化菌的铁还原富集剂附着在厌氧反应器内壁上，移除磁铁，厌氧反应器内的固体物质即为富集的铁还原氨氧化菌。经计算，氨氮的平均转化速率可达21.8mg/Ld。
实施例3：铁还原氨氧化菌富集工艺
一种铁还原氨氧化菌富集工艺，包括如下步骤：
采用实施例1所述的铁还原氨氧化菌富集装置作为反应装置，首先向厌氧反应罐1内依次加入含菌的湿地土壤悬液(土水比为1：9)、液体培养基、针铁矿和纳米四氧化三铁得到微生物培养液，制得的微生物培养液中Fe3+的浓度为600mg/L，氨氮浓度为50mg/L，液体培养基的配方同实施例2。
通过进气管12向厌氧反应罐1内通入氮气；通过排气管13排尽厌氧反应罐1内的空气使得厌氧反应罐1在培养过程中保持厌氧状态，当检测微生物培养液中氨氮浓度低于10mg/L时，打开排料阀14和抽真空管阀门25，开启真空泵4将厌氧反应罐1内部的培养液排入收集罐2中；培养液排完后，关闭排料阀14和抽真空管阀门25；向厌氧反应罐1中投入新的液体培养基再进行培养如此循环培养多次，控制总培养时长为3天；
(3)分离：培养完毕后，打开排料阀14和抽真空管阀门25，开启真空泵4将厌氧反应罐1内部的培养液排入收集罐2中；吸附有铁还原氨氧化菌的铁还原富集剂附着在厌氧反应器内壁上，移除磁铁，厌氧反应器内的固体物质即为富集的铁还原氨氧化菌。
实施例4：铁还原氨氧化菌富集工艺
一种铁还原氨氧化菌富集工艺，包括如下步骤：
采用实施例1所述的铁还原氨氧化菌富集装置作为反应装置，首先向厌氧反应罐1内依次加入含菌的市政浓缩土壤悬液(土水比为1：9)、液体培养基、氯化铁和纳米四氧化三铁得到微生物培养液，制得的微生物培养液中Fe3+的浓度为3000mg/L，氨氮浓度为200mg/L；液体培养基的配方同实施例2。
通过进气管12向厌氧反应罐1内通入氮气；通过排气管13排尽厌氧反应罐1内的空气使得厌氧反应罐1在培养过程中保持厌氧状态，当检测微生物培养液中氨氮浓度低于10mg/L时，打开排料阀14和抽真空管阀门25，开启真空泵4将厌氧反应罐1内部的培养液排入收集罐2中；培养液排完后，关闭排料阀14和抽真空管阀门25；向厌氧反应罐1中投入新的液体培养基再进行培养如此循环培养多次，控制总培养时长为8天；
(3)分离：培养完毕后，打开排料阀14和抽真空管阀门25，开启真空泵4将厌氧反应罐1内部的培养液排入收集罐2中；吸附有铁还原氨氧化菌的铁还原富集剂附着在厌氧反应器内壁上，移除磁铁，厌氧反应器内的固体物质即为富集的铁还原氨氧化菌。
对照例
采用的装置同实施例1，富集方法中对照例不加铁还原菌富集剂，其余培养方案实施例1，富集培养结束后，摇动混匀培养基，打开排料阀14和抽真空管阀门25，开启真空泵4将厌氧反应罐1内部的培养液排入收集罐2中；然后在氮气厌氧保护下，或在厌氧培养箱内，通过离心机离心分离收集铁还原氨氧化菌。经计算，对照组的氨氮的平均转化速率是5.2mg/L d。
为表述方便，本文所称的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“纵向”、“横向”等代表方向的描述与附图本身的方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用；以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。
Claims (12)
1.一种铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，包括厌氧反应罐(1)和位于厌氧反应罐(1)外部的磁性分离装置(5)；所述磁性分离装置(5)设置于所述厌氧反应罐(1)的底部或侧部；所述磁性分离装置(5)包括磁铁(53)。
2.根据权利要求1所述的铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，所述磁性分离装置(5)位于厌氧反应罐(1)的底部，所述磁性分离装置(5)还包括外壳(51)，所述外壳(51)内壁设置有滑槽(511)；所述外壳(51)内滑动设置有钢板(52)，所述钢板(52)上设置有与滑槽(511)配合的凸块(521)；所述磁铁(53)设置于所述钢板(52)上。
3.根据权利要求1所述的铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，所述厌氧反应罐(1)腰部内凹形成环状容纳腔(16)，所述磁铁分离装置(5)设置于所述容纳腔(16)上。
4.根据权利要求1所述的铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，所述厌氧反应罐(1)中下部横截面逐渐缩小形成漏斗状斜面(18)，所述磁铁分离装置(5)设置于漏斗状斜面(18)上。
5.根据权利要求1所述的铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，所述厌氧反应罐(1)下方远离排料的一端向内收缩形成阶梯状斜面(17)；所述磁铁分离装置(5)设置于阶梯状斜面(17)上。
6.根据权利要求1所述的铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，所述厌氧反应罐(1)为玻璃材质。
7.根据权利要求1所述的铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，所述磁铁(53)为电磁铁或永久性磁铁。
8.根据权利1-7任一项所述的铁还原氨氧化菌富集装置，其特征在于，所述铁还原氨氧化菌富集装置还包括收集罐(2)和真空泵(4)；所述厌氧反应罐(1)的顶部设置有加料口(11)；所述厌氧反应罐(1)的侧壁上设置有进气管(12)和排气管(13)；所述厌氧反应罐(1)和所述收集罐(2)通过排料管(19)连接；所述收集罐(2)通过抽真空管(22)与真空泵(4)连接。
9.一种铁还原氨氧化菌富集工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)加料：向厌氧反应器内加入含菌的土壤悬液、液体培养基、三价铁源和铁还原菌富集剂得到微生物培养液，所述微生物培养液中Fe3+的浓度为600～3000mg/L，氨氮浓度为50～200mg/L；所述厌氧反应器为权利要求1-8任一项所述的铁还原氨氧化菌富集装置；
(2)培养：在氮气保护下进行厌氧培养，当微生物培养液中氨氮浓度低于10mg/L时，将培养液抽出，并投入新的液体培养基继续进行培养，控制总培养时长为3～8天；
(3)分离：培养结束后，将厌氧反应器内的培养液抽出，吸附有铁还原氨氧化菌的铁还原富集剂附着在厌氧反应器内壁上，移除磁铁，厌氧反应器内的固体物质即为富集的铁还原氨氧化菌。
10.根据权利要求9所述的铁还原氨氧化菌富集工艺，其特征在于，所述三价铁源为无定形水铁矿、针铁矿、赤铁矿或氯化铁中的一种或多种。
11.根据权利要求9所述的铁还原氨氧化菌富集工艺，其特征在于，铁还原菌富集剂为纳米四氧化三铁。
12.根据权利要求9所述的铁还原氨氧化菌富集工艺，其特征在于，所述含菌土壤为水稻土、湿地土壤或市政浓缩污泥，所述含菌土壤悬液的土水比为1：9。
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