CN111793573B - 一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株、培养方法及其应用 - Google Patents

一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株、培养方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于环境生物技术领域，公开了一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株、培养方法及其应用。具体是一株具有异养硝酸盐异化还原为铵和硫自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株、培养方法及其在废水和废气处理中的用途。该海藻希瓦氏菌菌株为Shewanella algae，在厌氧条件下可以通过异养硝酸盐异化还原为铵或硫自养硝酸盐异化还原为铵，将废水中硝酸盐、亚硝酸盐和络合吸收法烟气脱硝产生的Fe(II)EDTA‑NO中的NO还原为铵，铵在水中富集后可通过吹脱回收氨气。该海藻希瓦氏菌菌株的上述功能可以实现废水中硝酸盐、亚硝酸盐和烟气中NO的资源化，在废水脱氮和废气脱硝领域用途较大。

Description

一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希 瓦氏菌菌株、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，本发明涉及一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株、培养方法及其应用。具体涉及一株同时具有异养硝酸盐异化还原为铵和硫自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株及其在废水和废气处理中的用途。
背景技术
水中硝酸盐和亚硝酸盐污染日趋严重，对人类健康带来极大风险。高效处理水中硝酸盐和亚硝酸盐污染成为目前污水处理领域的热点问题。
异养反硝化和自养反硝化过程是目前处理水中硝酸盐和亚硝酸盐污染最常用的方法，异养反硝化是以有机物作为电子供体，自养反硝化可以以氢气、硫化物和亚铁等作为电子供体，最终硝酸盐和亚硝酸盐会转化为氮气而无害化排放。
除此之外，硝酸盐异化还原为铵过程(Dissimilatory Nitrate Reduction toAmmonium,DNRA)作为自然界中硝酸盐和亚硝酸盐去除的潜在重要途径之一日益受到学者们的关注，该过程可以将水中硝酸盐和亚硝酸盐转化为氨氮。
在自然水体、河口沉积物、农田和人工湿地中，DNRA过程均为重要的氮循环途径之一，DNRA过程对生态系统氮循环、农业土壤氮素保留以及减少城市污水硝酸盐污染都有着十分重要的意义。
在一些特定场合，尤其是含有高浓度硝酸盐和亚硝酸盐工业废水的脱氮处理中，如果通过DNRA过程将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氨氮，氨氮在水中富集到一定浓度后调节水溶液的pH，通过吹脱过程将氨氮以氨气的形式收集，可以实现废水中硝酸盐和亚硝酸盐的去除并资源化。
目前已经证实的DNRA途径主要有两类，一类是进行发酵代谢反应的DNRA过程，即异养DNRA过程，这是最早被人类发现的且被认为是主要的DNRA过程。另一类是通过氧化自由形态的硫(如硫化氢和硫离子)以及单质硫的自养DNRA过程(Tiedje J M(Antonie VanLeeuwenhoek,1983,48(6):569-583)，Woods D D(Biochemical Journal,1938,32(11):2000-2001)，Zopfi J(Applied and Environmental Microbiology,2001,67(12):5530-5537))。这两类过程都可以将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氨氮。
另一方面，氮氧化物是大气中的主要污染物，是目前我国主要控制的气态污染物。燃料燃烧产生的废气中氮氧化物主要为不溶于水的NO，20世纪80年代研究者开发了络合吸收法烟气脱硝技术。该技术主要通过液相吸收剂FeIIEDTA吸收烟气中NO生成FeIIEDTA-NO。FeIIEDTA-NO一般可以通过生物反硝化过程将络合态NO转化为氮气排放。如果借助于DNRA过程将FeIIEDTA-NO中的NO生物转化为氨氮回收，则可以实现烟气中氮氧化物的资源化。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株、培养方法及其应用；
具体是一株具有异养硝酸盐异化还原为铵和硫自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株、培养方法及其在废水和废气处理中的用途。通过异养和自养DNRA过程将废水中硝酸盐、亚硝酸盐以及络合吸收法烟气脱硝产生的络合态NO转化为氨氮，通过吹脱过程回收氨气，则可以实现废水中硝酸盐、亚硝酸盐和烟气中NO的资源化。
针对废水中硝酸盐和亚硝酸盐污染问题，在厌氧条件下，提供一株通过异养硝酸盐异化还原为铵或硫自养硝酸盐异化还原为铵过程将水中硝酸盐和亚硝酸转化为氨氮的海藻希瓦氏菌菌株的培养方法和应用；针对络合吸收法烟气脱硝产生的FeIIEDTA-NO，在厌氧条件下，提供一株通过异养硝酸盐异化还原为铵或硫自养硝酸盐异化还原为铵过程将络合态NO转化为氨氮的海藻希瓦氏菌菌株的培养方法和应用，为废水中硝酸盐、亚硝酸盐和烟气中NO的资源化提供技术支撑。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株；具体是一株同时具有异养硝酸盐异化还原为铵和硫自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株，该海藻希瓦氏菌菌株被命名为Shewanellaalgae。已于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，其保藏号CGMCC No.19242。
上述海藻希瓦氏菌菌株的菌落表面湿润光滑凸起，边缘整齐，不透明，粉色；菌株呈杆状，无鞭毛，长约0.25-0.56μm，宽约0.13-0.2μm。
上述海藻希瓦氏菌菌株异养硝酸盐异化还原为铵、海藻希瓦氏菌菌株培养方法具体如下：
在厌氧条件下，将海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae接种于异养培养基中，pH5-9，在20-35℃恒温摇床150rpm转速条件下培养。
废水异养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：乳酸钠5.8105g/L，NaNO3/NaNO25mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废气异养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：乳酸钠1.162g/L，FeIIEDTA-NO1 mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
酸性缓冲溶液：KH2PO42.65g/L；
碱性缓冲溶液：NaHPO4·12H2O16.37g/L，K2HPO40.75g/L。
进一步的，所述在厌氧条件下，将海藻希瓦氏菌菌株Shewanella algae接种于异养培养基中，优选为：pH 7.2，在30℃恒温摇床150rpm转速条件下培养。
上述海藻希瓦氏菌菌株硫自养硝酸盐异化还原为铵、菌株培养方法具体如下：
在厌氧条件下，将海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae接种于自养培养基中，pH5-9，在20-35℃恒温摇床150rpm转速条件下培养。
废水硫自养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：Na2S·9H2O 4mM，NaNO3/NaNO21 mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废气硫自养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：Na2S·9H2O 4mM，FeIIEDTA-NO 1mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
酸性缓冲溶液：KH2PO42.65g/L；
碱性缓冲溶液：NaHPO4·12H2O16.37g/L，K2HPO40.75g/L。
进一步的，所述在厌氧条件下，将海藻希瓦氏菌菌株Shewanella algae接种于自养培养基中，优选为：pH 7.2，在30℃恒温摇床150rpm转速条件下培养。
本发明海藻希瓦氏菌菌株Shewanella algae在废水和废气处理中的应用。
所述海藻希瓦氏菌菌株Shewanella algae在废水和废气处理中的应用具体如下：
在厌氧环境中，异养条件下，该海藻希瓦氏菌菌株用于去除水中硝酸盐、亚硝酸盐或废气中NO产生氨氮：
废水脱氮过程中，使用有机碳源作为电子供体来还原废水中硝酸盐或亚硝酸盐，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气；废气脱硝过程中，使用FeIIEDTA作为络合吸收液吸收废气中NO，有机碳源作为电子供体来还原吸收液中的FeIIEDTA-NO，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气。
在厌氧环境中，自养条件下，该海藻希瓦氏菌菌株用于去除水中硝酸盐、亚硝酸盐或废气中NO产生氨氮：
废水脱氮过程中，以硫化物作为电子供体来还原废水中硝酸盐、亚硝酸盐，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气；废气脱硝过程中：使用FeIIEDTA作为络合吸收液来吸收废气中NO，硫化物作为电子供体来还原吸收液中的FeIIEDTA-NO，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供了海藻希瓦氏菌菌株在废水和废气处理中的海藻希瓦氏菌菌株培养方法和新用途，通过异养硝酸盐异化还原为铵或硫自养硝酸盐异化还原为铵过程将水中硝酸盐和亚硝酸转化为氨氮的海藻希瓦氏菌菌株。海藻希瓦氏菌菌株Shewanella algae同时具有异养硝酸盐异化还原为铵和硫自养硝酸盐异化还原为铵的功能，可以在厌氧条件下通过异养或自养过程将水中硝酸盐、亚硝酸盐和络合吸收法烟气脱硝产生的FeIIEDTA-NO中的NO转化为氨氮。氨氮在水中富集到一定浓度后，调节水溶液的pH，通过吹脱过程将水中氨氮以氨气的形式收集，可以实现废水中硝酸盐、亚硝酸盐和烟气中NO的资源化，在废水脱氮和废气脱硝领域用途较大。
附图说明
图1是不同温度对海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae异养废水硝酸盐异化还原为铵的影响图。
图2是不同pH对海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae异养废水硝酸盐异化还原为铵的影响图。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1：本发明海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae用于厌氧条件下废水异养硝酸盐异化还原为铵
废水异养硝酸盐异化还原为铵培养基：乳酸钠5.8105g/L其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用上述培养基，在培养基中加入含有0.345g/L亚硝酸盐的模拟废水，在厌氧条件下接入细胞干重为0.045±0.005g/L的海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae，在30℃恒温摇床150rpm转速条件下培养，间隔一定时间取样测定溶液中亚硝酸盐氮和氨氮浓度的变化，结果见表1。从表1中可以看出，在厌氧条件下，经过48h的培养，所有的亚硝酸盐被脱除，亚硝酸盐全部转化为氨氮。
表1海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae异养废水硝酸盐异化还原为铵
Figure BDA0002427552420000051
实施例2：本发明海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae用于厌氧条件下不同温度对废水异养硝酸盐异化还原为铵的影响
废水异养硝酸盐异化还原为铵培养基：乳酸钠5.8105g/L其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用上述培养基，在培养基中加入含有0.345g/L亚硝酸盐的模拟废水，在厌氧条件下接入细胞干重为0.045±0.005g/L的海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae，分别在20、25、30和35℃的恒温摇床150rpm转速条件下培养，间隔一定时间取样测定溶液中亚硝酸盐氮和氨氮浓度的变化，结果见图1。从图1中的(a)和(b)可以看出，在厌氧条件下，温度在20-35℃内菌株都可以进行DNRA过程，且在84h内所有的亚硝酸盐都被脱除，且亚硝酸盐全部转化为氨氮。此外，可以看出该海藻希瓦氏菌菌株进行DNRA过程的较适温度为30℃，温度过高或过低都会严重影响海藻希瓦氏菌菌株的DNRA过程。
实施例3：本发明海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae用于厌氧条件下不同pH对废水异养硝酸盐异化还原为铵的影响
废水异养硝酸盐异化还原为铵培养基：乳酸钠5.8105g/L其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
酸性缓冲溶液：KH2PO42.65g/L；
碱性缓冲溶液：NaHPO4·12H2O16.37g/L，K2HPO40.75g/L。
使用上述培养基，并用酸性缓冲溶液和碱性缓冲溶液将培养基的pH分别调为5、6、7.2、8和9，再向各调制好的培养基中加入含有0.345g/L亚硝酸盐的模拟废水，在厌氧条件下接入细胞干重为0.045±0.005g/L的海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae，在30℃的恒温摇床150rpm转速条件下培养，间隔一定时间取样测定溶液中亚硝酸盐氮和氨氮浓度的变化，结果见图2。从图2中的(a)和(b)可以看出，在厌氧条件下，当pH＝5和6时，海藻希瓦氏菌菌株的DNRA过程受到抑制，而当pH＝9时，海藻希瓦氏菌菌株仍能进行DNRA过程，但反应速率比pH＝7.2或8时慢。当pH＝7.2和8时，海藻希瓦氏菌菌株能正常进行DNRA反应，且pH＝8时的降解速率略快于pH＝7.2时的降解速率。但从最终的氨氮转化率来看，pH＝7.2时的氨氮转化率较高，所以pH＝7.2为菌株Shewanellaalgae进行DNRA过程较适宜的pH值。
实施例4：本发明海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae用于异养还原废气络合吸收产物FeIIEDTA-NO为铵
废气硫自养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：Na2S·9H2O 4mM其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用上述培养基，在反应小瓶中加入含有1mM FeIIEDTA-NO的模拟废气；在厌氧条件下接入细胞干重为0.045±0.005g/L的海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae，在30℃恒温摇床150rpm转速条件下培养，间隔一定时间取样测定溶液氨氮浓度的生成情况。实验结果显示，FeIIEDTA-NO得到了很好的去除。从表2中可以看出，培养27h，氨氮生成率为100％。
表2海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae异养废气络合吸收产物FeIIEDTA-NO异化还原为铵
Figure BDA0002427552420000071
实施例5：本发明Shewanellaalgae用于厌氧条件下废水硫自养硝酸盐异化还原为铵
废水硫自养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：Na2S·9H2O 4mM其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理。
使用上述培养基，在培养基中加入含有0.069g/L亚硝酸盐的模拟废水，在厌氧条件下接入细胞干重为0.045±0.005g/L的海藻希瓦氏菌菌株Shewanellaalgae，在30℃恒温摇床150rpm转速条件下培养，间隔一定时间取样测定溶液中氨氮浓度的生成情况。从表3可以看出，培养27h后，氨氮的生成率可以达到100％，海藻希瓦氏菌菌株可以利用硫化物作为电子供体进行自养硝酸盐异化还原为铵过程，实现了对亚硝酸盐氮的去除。
表3 Shewanellaalgae硫自养废水硝酸盐异化还原为铵
Figure BDA0002427552420000081
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Figure BDA0002427552420000091
Figure BDA0002427552420000101

Claims (2)

1.一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌（Shewanella algae）菌株在废水和废气处理中的应用，其特征是，
海藻希瓦氏菌菌株已于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，其保藏号CGMCC No.19242；
应用具体如下：
在厌氧环境中，异养条件下，海藻希瓦氏菌菌株用于去除废水中硝酸盐、亚硝酸盐或废气中NO产生氨氮：
废水脱氮过程中，使用有机碳源作为电子供体来还原废水中硝酸盐或亚硝酸盐，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气；废气脱硝过程中，使用FeIIEDTA作为络合吸收液吸收废气中NO，有机碳源作为电子供体来还原吸收液中的FeIIEDTA-NO，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气；
所述的海藻希瓦氏菌菌株的培养方法具体如下：
在厌氧条件下，将海藻希瓦氏菌菌株接种于异养培养基中，pH 5-9，在20-35℃恒温摇床150rpm转速条件下培养；
废水异养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：乳酸钠5.8105 g/L，NaNO3/NaNO25mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废气异养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：乳酸钠 1.162g/L，FeIIEDTA-NO1 mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
酸性缓冲溶液：KH2PO4 2.65 g/L；
碱性缓冲溶液：NaHPO4·12H2O 16.37 g/L，K2HPO4 0.75 g/L。
2.一株同时具有异养和自养硝酸盐异化还原为铵功能的海藻希瓦氏菌菌株在废水和废气处理中的应用，其特征是，
海藻希瓦氏菌菌株已于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，其保藏号CGMCC No.19242；
应用具体如下：
在厌氧环境中，自养条件下，海藻希瓦氏菌菌株用于去除废水中硝酸盐、亚硝酸盐或废气中NO产生氨氮：
废水脱氮过程中，以硫化物作为电子供体来还原废水中硝酸盐、亚硝酸盐，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气；废气脱硝过程中：使用FeIIEDTA作为络合吸收液来吸收废气中NO，硫化物作为电子供体来还原吸收液中的FeIIEDTA-NO，产生氨氮后可经富集、吹脱回收氨气；
所述海藻希瓦氏菌菌株培养方法具体如下：
在厌氧条件下，将菌株接种于自养培养基中，pH 5-9，在20-35℃恒温摇床150rpm转速条件下培养；
废水硫自养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：Na2S·9H2O 4 mM，NaNO3/NaNO21 mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
废气硫自养硝酸盐异化还原为铵培养基组分：Na2S·9H2O 4 mM，FeIIEDTA-NO 1 mM，其余成分为KH2PO42.65g/L，NaHPO4·12H2O10.92g/L，K2HPO40.5g/L，MgCl2·6H2O0.1g/L，NaCl0.5g/L，CaCl2·2H2O0.1g/L，培养基使用之前经过灭菌处理；
酸性缓冲溶液：KH2PO4 2.65 g/L；
碱性缓冲溶液：NaHPO4·12H2O 16.37 g/L，K2HPO4 0.75 g/L。
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