CN112501047A

CN112501047A - 一种枯草芽孢杆菌及其对含硫废水的脱毒应用

Info

Publication number: CN112501047A
Application number: CN202011068334.4A
Authority: CN
Inventors: 李朝霞; 邹佳华; 党梦晗; 远野; 丁成; 李桂琴
Original assignee: Yancheng Institute of Technology
Current assignee: Yancheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology Technology Transfer Center Co Ltd
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2040-10-08
Also published as: CN112501047B

Abstract

本发明提供了一种枯草芽孢杆菌及其对含硫废水的脱毒应用，属于污水处理技术领域。该菌株于2020年9月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏名称为Bacillus subtilis YCLS‑2‑1，保藏编号为CGMCC No.20685。该菌株具有较强的废水脱硫能力，可以结合微生物电化学系统定向调控硫转化，获得良好的工艺效果和经济效益。该Bacillus subtilis YCLS‑2‑1菌株对含硫废水的适宜脱毒条件为：外加稳定电压‑0.5 V，硫化钠浓度1.0 g/L，乙酸钠浓度0.4 g/L，硝酸钾浓度0.75 g/L，磷酸氢二钠浓度0.8 g/L和磷酸二氢钾浓度1.2 g/L。在适宜条件下，YCLS‑2‑1菌株在12 h的脱硫率最高可达15.2%。该技术为含硫废水脱毒提供了一种新的解决方案和技术途径。

Description

一种枯草芽孢杆菌及其对含硫废水的脱毒应用

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种枯草芽孢杆菌及其对含硫废水的脱毒应用。

背景技术

化学、纺织、煤气、石油和造纸等工业经过一系列化学反应产生的硫酸根最后被溶解在工厂废水中, 如果不经过妥善处理, 硫酸根随着污水排出进入外围环境。废水中主要的含硫物质是以硫酸盐与硫化氢两种形式存在。但是天然水体中也含有硫化物，这些硫化物主要来自于矿石被冲刷，然后硫酸根溶解到水中，还有各种有机物，比如我们所知道的蛋白质之类的生物大分子，组成他们的氨基酸中就会含有硫。人类的排泄物中也会含有硫，这就是造成生活污水含硫的原因。土壤中也含有硫酸盐，如果土地中含有硫酸盐，这些硫酸盐大多不会被降解，但是会被雨水或者河水冲刷进水体中。我们所知道的酸雨便是大气中的硫酸根离子含量过高，溶解进云层，随着降雨落到地表，给人们的生产生活带来严重危害。生活污水是我们身边最常见的含硫水体，一些硫酸根被还原成硫离子，然后会生成硫化氢,硫化氢再与水中的氢离子结合生成氢硫酸，氢硫酸不稳定，硫化氢便逸出水体扩散到周围空气中，如果不能妥善处理，硫化氢便会进入我们所在的外围空气，不仅影响环境，还危害人们的健康。

目前常见的处理含硫废水的方法有：湿式空气氧化法（WAO）、超临界水氧化法(SCWO) 、臭氧氧化法、气提法、生物法和电化学法，上述方法大多条件苛刻或者成本较高，因此微生物电化学法正在逐渐成为处理含硫废水的主要研究方向。

微生物电化学系统具有反应持续性强，无需提供电子，没有二次污染等优势。传统电化学方法处理含硫废水已有报道，硫离子会在阳极表面被氧化为单质硫，但是单质硫在阳极膜表面富集便会影响后期反应。但是如果能让硫单质定向富集，便能有效强化微生物的硫氧化功能。因此，首先我们需要找到一种具有较强的硫离子脱除能力的菌株，其次，我们需要构建微生物电化学系统，找到最合适的反应条件，从而充分发挥菌株的脱硫能力。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种枯草芽孢杆菌及其对含硫废水的脱毒应用。该菌株具有较强的废水脱硫能力，可以结合微生物电化学系统定向调控硫转化，获得良好的工艺效果和经济效益，从而为含硫废水脱毒提供新的解决方案和技术途径。

技术方案：一种枯草芽孢杆菌，该菌株于2020年9月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏名称为Bacillus subtilis YCLS-2-1，保藏编号为CGMCC No.20685。

该枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用。

优选的，所述应用为将所述枯草芽孢杆菌接种在含硫废水中，或者将所述枯草芽孢杆菌接种在微生物电解池的阳极室中。

优选的，所述微生物电解池设有阳极室和阴极室，所述阳极室内设有阳极电极，所述阴极室内设有阴极电极和参比电极，所述阳极电极和阴极电极材料均为碳刷，所述参比电极内为饱和KCl溶液。

优选的，所述阳极室中装有发酵培养基，所述发酵培养基包括硫化钠0.75~1.5 g/L，乙酸钠0.4~0.6 g/L和硝酸钾0.75~1.25 g/L。

优选的，所述发酵培养基包括硫化钠1.0 g/L，乙酸钠0.4 g/L和硝酸钾0.75 g/L。

优选的，所述发酵培养基还包括Na₂HPO₄ 0.8~1.6 g/L 和KH₂PO₄ 1.2~2.4 g/L

优选的，所述发酵培养基包括Na₂HPO₄ 0.8 g/L 和KH₂PO₄ 1.2 g/L。

优选的，所述微生物电解池的外加电压为-0.5V。

优选的，所述微生物电解池的电解时间为12 h。

有益效果：本发明提供的枯草芽孢杆菌YCLS-2-1是一种兼氧脱硫脱氮异养细菌，对氧浓度的适应性强，还具有较大的脱硫活力和产电能力，既可以直接接种在含硫废水中形成微生物电化学环境脱硫，在去除硫污染的同时实现电能的回收，也可以结合微生物电解池定向调控硫转化，获得良好的工艺效果和经济效益，还可以结合不同种属的菌株进行协同增效脱硫，从而为含硫废水脱毒提供新的解决方案和技术途径。

附图说明

图1为菌株在LB培养基上的菌落特征图；

图2为菌株在不通电情况下的产电能力图；

图3为菌株和氧气分别在不同的外加电压下的各时间脱硫率；

图4为菌株和氧气分别在不同的硫化钠浓度下的各时间脱硫率；

图5为菌株和氧气分别在不同的乙酸钠浓度下的各时间脱硫率；

图6为菌株和氧气分别在不同的硝酸钾浓度下的各时间脱硫率；

图7为菌株和氧气分别在不同的磷酸氢二钠浓度下的各时间脱硫率；

图8为菌株和氧气分别在不同的磷酸二氢钾浓度下的各时间脱硫率。

具体实施方式

现在结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种枯草芽孢杆菌，该菌株于2020年9月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏名称为Bacillus subtilis YCLS-2-1，保藏编号为CGMCC No.20685。

该菌株是由盐城工学院长期处理含硫废水的厌氧脱硫反应器的活性污泥中分离纯化而来，为兼氧脱硫脱氮异养细菌菌株，具有较大的脱硫活力和产电能力，在有氧和无氧条件下均可以利用硝酸盐作为电子受体获得能量，同时以乙酸钠为碳源实现异养生长，并能有效去除Na₂S中的S^2-，所述菌株在LB培养基上的菌落形态如图1所示。

本发明还提供了该枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用。

本发明中采用对氨基二甲基苯胺光度法测定硫离子浓度，其原理是在含高铁离子的酸性溶液中，对氨基二甲苯胺与S^2-作用，生成亚甲基蓝，在一定浓度范围内，其颜色深度与水中S^2-浓度成线性关系。

为排除氧、光等非生物因素对硫化钠脱毒效果的干扰，每个试验样均设有无菌空白对照样，即除了用无菌水代替菌液外，其余步骤均与试验样相同。为减少试验误差，每个试验样和空白样均做了两个平行组。

菌的硫化钠脱硫率或去除率=（培养后空白对照液中的硫化钠含量-培养后发酵样液中的硫化钠含量）/培养后空白对照液的硫化钠含量*100%。

菌的脱硫率越大，脱毒效果越强。

本发明所用的发酵培养基基础配方为1 g/L Na₂S·9H₂O，0.8 g/L NaAc，0.75 g/LKNO₃，0.6 g/L NH₄Cl，1.2 g/L Na₂HPO₄，1.8 g/L KH₂PO₄，pH 7.5。

一、无外加电压试验

实施例1、菌株产电能力试验

构建微生物燃料电池：于阳极室和阴极室分别加入300 mL发酵培养基和去离子水，将碳刷分别放入两室，于阴极室内放入参比电极，参比电极内溶液为饱和KCl，在阳极碳刷与阴极碳刷之间连入一个20 Ω的电阻，阳极室为工作电极，阴极室为辅助电极。向阳极室中加入枯草芽孢杆菌YCLS-2-1菌株，使接种后发酵液的初始菌含量约为5×10⁹ cfu/mL，使用数据收集器测量燃料电池的产电性能，结果如图2所示。其中发酵培养基配方为1 g/LNa₂S·9H₂O，0.8 g/L NaAc，0.75 g/L KNO₃，0.6 g/L NH₄Cl，1.2 g/L Na₂HPO₄，1.8 g/LKH₂PO₄，pH 7.5。

由图2可知，枯草芽孢杆菌YCLS-2-1菌株表现出较高的产电能力，在12 h后能始终维持最高的产电能力，所产电压绝对值持续在0.0066 V~0.0134 V。因此该菌株具有良好的脱硫活力和产电能力，可以在脱硫的同时实现电能的回收，具有较高的经济效益。

二、外加电压的单因素试验

构建微生物电解池：于阳极室和阴极室分别加入300 mL发酵培养基和去离子水，将碳刷分别放入两室，于阴极室内放入参比电极，参比电极内溶液为饱和KCl，在阳极碳刷与阴极碳刷之间连入电化学工作站。以发酵培养基基础配方中的值为各单因素试验中的“0”，在微生物电解池的阳极中加入枯草芽孢杆菌YCLS-2-1菌株，使接种后的初始菌浓度为5×10⁹ cfu/mL，分别在不同外加电压和培养基各组分下，进行系列单因素试验。

实施例2、外加电压对脱硫效果的影响试验

利用电化学工作站分别在电解池两端添加-1.5 V，-1.0 V, -0.5 V, 0 V，0.5 V电压，电解池阳极中初始菌浓度为5×10⁹ cfu/mL，在保证其他培养条件都一致的条件下，通过测量不同电压下的发酵液中硫化钠浓度并计算脱硫率，来确定适宜的外加电压。

结果如图3所示，在最开始的几个小时内，氧气对于硫化钠的脱硫作用十分显著，随着时间的推移，氧气对于硫化钠的脱硫作用越来越低，菌株对于硫化钠的脱硫率越来越强，在电压为-0.5的时候，菌株Bacillus subtilis YCLS-2-1的硫转化率明显高于其他电压，这可能是因为只有适当的电压才能够将细菌吸附到碳刷上去。因此，选择-0.5 V和12h-16 h作为试验用适宜电压和适宜反应时间。

实施例3、硫化钠浓度对脱硫效果的影响试验

分别取0.5 g/L，0.75 g/L，1.0 g/L，1.25 g/L，1.5 g/L硫化钠，其余成分浓度与发酵培养基基础配方相同，配制300 mL发酵培养基，电解池阳极中初始菌浓度为5×10⁹cfu/mL，在-0.5 V电压下反应。每4 h取样，测定发酵液中硫化钠含量并计算脱硫率，确定适宜的硫化钠浓度。

结果如图4所示，在一定的反应时间内，氧气对于硫化钠的氧化能力高于菌株很多，但是随着发酵时间的延长，氧气对于硫化钠的氧化能力会变得越来越小，菌株对于硫化钠的脱除能力占优势，可能是由于随着反应时间的增长，氧气被细菌生长代谢消耗殆尽，水中的氧气含量下降，因此菌株对于硫化钠的脱除率越来越高。因此，菌株Bacillus subtilis YCLS-2-1对含硫废水具有良好的适应能力和脱硫能力，可选择硫化钠0.75~1.5g/L，更优选的可将1.0 g/L作为硫化钠浓度。

实施例4、乙酸钠浓度对脱硫效果的影响试验

分别取乙酸钠浓度0.2 g/L, 0.3 g/L, 0.4 g/L, 0.5 g/L，0.6 g/L，其余成分浓度与发酵培养基基础配方相同，配制300 mL发酵培养基，电解池阳极中初始菌浓度为5×10⁹ cfu/mL，在-0.5 V电压下反应。每4 h取样，测定发酵液中硫化钠含量并计算脱硫率，确定适宜的乙酸钠浓度。

结果如图5所示，乙酸钠浓度为0.4~0.6 g/L时，菌株脱硫率较高。乙酸钠浓度在0.4 g/L之前，随着乙酸钠浓度的增加，Bacillus subtilis YCLS-2-1菌株脱硫率会随着乙酸钠浓度增加而增加，而在乙酸钠浓度到达0.4 g/L之后，菌株Bacillus subtilis YCLS-2-1对于硫离子的脱除率并没有特别的突跃，因此，选择的最佳乙酸钠浓度为0.4 g/L，乙酸钠浓度过低，菌株没有到达脱硫的最佳状态，浓度过高则会浪费药品，造成浪费。

实施例5、硝酸钾浓度对脱硫效果的影响试验

分别取硝酸钾浓度0.25 g/L, 0.5 g/L, 0.75 g/L, 1.0 g/L, 1.25 g/L，其余成分浓度与发酵培养基基础配方相同，配制300 mL发酵培养基，电解池阳极中初始菌浓度为5×10⁹ cfu/mL，在-0.5 V电压下反应。每4 h取样，测定发酵液中硫化钠含量并计算脱硫率，确定适宜的硝酸钾浓度。

结果如图6所示，硝酸钾浓度为0.75~1.25 g/L时，菌株脱硫率较高。当硝酸钾浓度达到0.75 g/L之前，菌株的脱硫率随着硝酸钾浓度增大而增长，当硝酸钾浓度更高时，脱硫率变化不大。硫离子脱硫率只和时间有关，当反应时间越长，菌株的脱硫能力就越强。因此，选择0.75 g/L作为适宜的硝酸钾浓度。

实施例6、磷酸氢二钠对脱硫效果的影响试验

分别取磷酸氢二钠浓度为0.0 g/L, 0.4 g/L, 0.8 g/L, 1.2 g/L, 1.6 g/L，其余成分浓度与发酵培养基基础配方相同，配制300 mL发酵培养基，电解池阳极中初始菌浓度为5×10⁹ cfu/mL，在-0.5 V电压下反应。每4 h取样，测定发酵液中硫化钠含量并计算脱硫率，确定适宜的磷酸氢二钠浓度。

结果如图7所示，当磷酸氢二钠浓度较低时，菌株对于硫化钠的转化能力很弱，但是当磷酸氢二钠的浓度升高，硫化钠的降解率成上升趋势。原因可能是因为，磷酸盐缓冲了在菌株代谢过程中pH的急剧变化，有利于菌株生存，因此，菌株能更好的对于硫化钠进行降解。当磷酸氢二钠浓度为0.8~1.6g/L时，菌株的硫转化率较高。为避免浪费，可选择磷酸氢二钠 0.8 g/L作为适宜浓度。

实施例7、磷酸二氢钾浓度对脱硫效果的影响试验

分别取磷酸二氢钾浓度为0.0 g/L, 0.6 g/L, 1.2 g/L, 1.8 g/L, 2.4 g/L，其余成分浓度与发酵培养基基础配方相同，配制300 mL发酵培养基，电解池阳极中初始菌浓度为5×10⁹ cfu/mL，在-0.5 V电压下反应。每4 h取样，测定发酵液中硫化钠含量并计算脱硫率，确定适宜的磷酸二氢钾浓度。

结果如图8所示，当磷酸二氢钾浓度较低时，菌株对于硫化钠的转化能力很弱，但是随着磷酸二氢钾的浓度升高，硫化钠的降解率成上升趋势。原因可能是因为，磷酸盐缓冲了在菌株代谢过程中pH的急剧变化，有利于菌株生存，因此，菌株能更好的对于硫化钠行降解。磷酸二氢钾同时提供磷酸根和钾离子，因此对于菌株转化的影响较大，如若不加磷酸二氢钾，菌株转化能力较弱，而且空白对照波动很大，可能是影响了电流回路的生成，而且不利于细菌生存导致的。当磷酸氢二钠浓度为1.2~2.4 g/L时，菌株的硫转化率较高。为避免浪费，可选择磷酸二氢钾 1.2 g/L作为适宜浓度。

Bacillus subtilis YCLS-2-1菌株对含硫废水的适宜脱毒条件如下：外加电压约为-0.5 V，硫化钠浓度约为1.0 g/L，乙酸钠浓度约为0.4 g/L，硝酸钾浓度约为0.75 g/L，磷酸氢二钠浓度约为0.8 g/L，磷酸二氢钾浓度约为1.2 g/L。在该适宜条件下对含硫废水进行脱硫12 h，脱硫率即可达15.2%。

因此，该菌株结合微生物电解池可以定向调控硫转化，获得良好的工艺效果和经济效益，从而为含硫废水脱毒提供新的解决方案和技术途径。同时该菌株与Lactobacillus mucosae YCLS-3-5菌株的转化机制相似，因此还可以结合不同种属的菌株构建微生物电解池进行协同增效脱硫。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种枯草芽孢杆菌，其特征在于，该菌株于2020年9月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏名称为Bacillus subtilis YCLS-2-1，保藏编号为CGMCC No.20685。

2.一种如权利要求1所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用。

3.根据权利要求2所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述应用为将所述枯草芽孢杆菌接种在含硫废水中，或者将所述枯草芽孢杆菌接种在微生物电解池的阳极室中。

4.根据权利要求3所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述微生物电解池设有阳极室和阴极室，所述阳极室内设有阳极电极，所述阴极室内设有阴极电极和参比电极，所述阳极电极和阴极电极材料均为碳刷，所述参比电极内为饱和KCl溶液。

5.根据权利要求3所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述阳极室中装有发酵培养基，所述发酵培养基包括硫化钠0.75~1.5 g/L，乙酸钠0.4~0.6 g/L和硝酸钾0.75~1.25 g/L。

6.根据权利要求5所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述发酵培养基包括硫化钠1.0 g/L，乙酸钠0.4 g/L和硝酸钾0.75 g/L。

7.根据权利要求5所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述发酵培养基还包括磷酸氢二钠 0.8~1.6 g/L 和磷酸二氢钾1.2~2.4 g/L。

8.根据权利要求7所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述发酵培养基包括磷酸氢二钠 0.8 g/L 和磷酸二氢钾 1.2 g/L。

9.根据权利要求3所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述微生物电解池的外加电压为-0.5V。

10.根据权利要求3所述的枯草芽孢杆菌对含硫废水的脱毒应用，其特征在于，所述微生物电解池的电解时间为12 h。