CN113336336A - 卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用 - Google Patents

卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用，属于氨氮去除技术领域。本发明采用的卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN‑7)可以在厌氧或缺氧条件下利用三价铁进行铁氨氧化作用，与传统硝化菌相比无需氧气参与，降低了曝气能耗。该菌为异养菌，生长迅速，无需大型的培养装置来提高处理负荷，污水中有机物不会抑制氨氮去除效率，耐受环境冲击能力更强；反应产物主要为氮气，几乎没有氮氧化物积累，反应更加彻底；适应pH值范围为中性和碱性，比偏酸性要求的自养铁氨氧化菌更加实用，而且碱性pH值可以保证三价铁和二价铁处于难溶状态，不容易流失，不会增加出水色度造成二次污染。

Description

卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用
技术领域
本发明属于氨氮去除技术领域，涉及卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用。
背景技术
环境问题是威胁人类生存的一个重大问题，在发展中国家尤为突出。最近的研究报告表明，人类由于工业生产、农业化肥施用和化石燃料燃烧等活动向环境中排放的氮素含量正在显著增加，上述活动过度排放的氮素会造成极大的环境问题，如N2O会导致全球变暖；水体中氮素水平的增加会导致水体富营养化、威胁人类健康。氨氮作为氮循环过程中一种重要的无机物，是导致水体富营养化的主要因素之一。我国由于经济的迅速发展、工农业生产活动的加剧，向环境中排放的氨氮量巨大，根据相关报道显示我国北方黄河流域，松花江流域氨氮仍是主要污染物之一，近海数据显示劣四类水质海域面积为28340平方千米，占比11.7％，其中主要污染指标为无机氮，水体健康收到严重威胁。因此为了控制水体污染，必须严格控制污染物的控制，其中氨氮的一级标准为1.0mg/L。故在排放前对排放物中的氨氮进行有效去除是势在必行的。
目前，去除氨氮最经济有效的方法是生物法，主要过程是通过一系列微生物作用将氨氮转化为氮气后予以排放，这一过程在绝大多数的污水处理设施中是由硝化细菌和反硝化细菌共同完成的，即先由自养硝化细菌将氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，再由异养反硝化细菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气。随着科学技术的发展和新的研究，已经发现有一些特殊的微生物可以利用三价铁离子代替氧气作为电子受体将氨氮进行氧化，被称为铁氨氧化作用。2005年,Clément等在美国新泽西州湿地土壤中发现铵(NH4 +)在三价铁Fe(Ⅲ)还原的条件下被氧化为NO2 -；2006年，Sawayama等提出微生物驱动的铁氨氧化过程(ferricammonium oxidation:Feammox)，该理论认为在厌氧和含铁的环境下，微生物以Fe(Ⅲ)为电子受体，以NH4 +为电子供体来实现铵态氮的氧化，同时将Fe(Ⅲ)还原为二价铁Fe(Ⅱ)。随后，铁氨氧化的研究开始逐渐丰富起来。2015年，Huang等在森林湿地中首次分离纯化得到一株同时具有氨氧化和铁还原功能的Acidimicrobiaceae bacterium A6菌株，铁氨氧化的研究取得重要进展。研究人员分别在水稻土、湿地土壤和海洋沉积物中也发现了铁氨氧化现象，铁氨氧化过程广泛分布于各种不同的生态环境中，在自然界氮循环过程中具有重要作用。
我国近年来在铁氨氧化的研究上也取得了一定的进展，出现了少量关于铁氨氧化的专利，如陈琛等人的一种筛选厌氧铁氨氧化菌的方法专利；广东工业大学的一种水库底泥中厌氧铁氨氧化路径识别及定量方法，一种DNA稳定性同位素探针原位揭示河湖底泥中厌氧铁氨氧化细菌的方法。但是目前还缺少铁氨氧化菌的纯菌株，大部分都属于自养型铁氨氧化菌，未见异养型铁氨氧化菌的报导。
因此有必要进一步对异养型铁氨氧化菌进行研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.卓贝尔氏菌在去除氨氮中的应用，所述应用具体为：卓贝尔氏菌在三价铁化合物和有机碳源的存在下，在厌氧或缺氧条件下能够降低氨氮或总氮含量；
所述卓贝尔氏菌为Zobellella taiwanensis DN-7菌。
优选的，所述三价铁化合物为FeCl3、Fe(OH)3、Fe2(SO4)3或FePO4中的任意一种或几种。
优选的，所述碳源为葡萄糖、乙酸钠、丁二酸钠或蔗糖中地任意一种或几种。
优选的，所述应用中碳源中C与氨氮中N的C/N比为6～20。
优选的，所述三价铁化合物加入到待处理溶液中后三价铁的浓度为0.01～1mol/L。
优选的，所述应用中氨氮去除的条件为pH为4～12、温度为20～40℃
优选的，所述应用中氨氮去除的条件为pH为8～10、温度为25～37℃。
本发明的有益效果在于：
本发明公开了卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用，本发明采用的卓贝尔氏菌Zobellella taiwanensis DN-7菌可以在厌氧或缺氧条件下利用三价铁进行铁氨氧化作用，与传统硝化菌相比无需氧气参与，降低了曝气能耗。该菌为异养菌，生长迅速，无需大型的培养装置来提高处理负荷，污水中有机物不会抑制氨氮去除效率，耐受环境冲击能力更强，反应器可以快速启动；反应产物主要为氮气，几乎没有氮氧化物积累，反应更加彻底；适应pH值范围为中性和碱性，比偏酸性要求的自养菌更加实用，而且碱性pH值可以保证三价铁和二价铁处于难溶状态，不容易流失，不会增加出水色度造成二次污染。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中去氨氮和总氮的去除率；
图2为不同碳源对去除率的影响；
图3为培养基中C/N对去除率的影响；
图4为培养基中pH值对去除率的影响；
图5为培养基过程中温度对去除率的影响；
图6为培养基中加入的三价铁化合物种类对去除率的影响；
图7为培养基中溶氧状态对去除率的影响。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
氨氮去除效率的计算公式如下：
RE＝(A－B)/A×100％，
其中RE为氨氮或总氮去除效率(removal efficiency，RE)、A为初始氨氮或总氮浓度、B为最终氨氮或总氮浓度。
实施例1
采用卓贝尔氏菌去除氨氮，具体方法如下所示：
(1)培养卓贝尔氏菌：首先将LB培养基(培养基组成为：胰蛋白胨、酵母粉、NaCl和蒸馏水的质量体积比为10:5:10:1，g:g:g:L)在121℃下灭菌20min，将卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)菌种(从垃圾渗滤液中分离筛选获得，经16S rRNA测序并在NCBI中比对，与Zobellella taiwanensis ZT1T(DQ195676)相似度达到100％，命名为Zobellella taiwanensis DN-7)接入LB培养基中，在30℃下震荡培养24h左右使卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)的菌浓度为OD600＝2.0；
(2)在铁氨氧化培养基中培养：将上述步骤(1)中培养的卓贝尔氏菌(Zobellellataiwanensis DN-7菌)按照1％的接种量接种到待处理的废水(即新鲜的垃圾渗滤液用水稀释10倍后的溶液)中(接种之前先采用纳氏试剂分光光度法或过硫酸钾氧化紫外分光光度法测试上清液中的氨氮和总氮含量，得到初始氨氮或总氮浓度，氨氮和总氮浓度分别为1204.3mg/L和2216.7mg/L，另外COD＝29661.5mg/L，NO3 --N＝58.3mg/L)，添加三价铁化合物(FeCl3)和蔗糖(其中蔗糖中的C与废水中的N之间的碳氮比C/N＝12、卓贝尔氏菌、三价铁化合物(FeCl3)添加到废水中后中三价铁的浓度为0.5mol/L)，用NaOH调节pH在8.0温度为20℃、DO为0.4～0.6，然后开始培养处理；
(3)步骤(2)中添加处理三天后开始连续取其中的成分出进行离心，采用纳氏试剂分光光度法或过硫酸钾氧化紫外分光光度法测试上清液中的氨氮和总氮含量；
(4)计算氨氮去除效率，结果如图1所示，其中废水中的氨氮浓度在开始处理后的前两天会升高，主要使因为废水中的有机氮转化为氨氮，然后氨氮的浓度开始持续下降，在第5天时氨氮浓度降为8.3mg/L，大部分氨氮被去除，去除率达90％以上；而总氮含量从实验开始一直下降，在第5天时总氮下降至36.4mg/L，去除率为83％以上。另外整个试验过程中三价铁沉淀没有明显的改变，pH值稳定在9.2左右，无需调节pH值。由此可以看出针对稀释后的新鲜垃圾渗滤液，DN-7菌在室温、无需曝气、无外加碳源和无pH调节的条件下就可以对废水中的氨氮进行有效去除，且投加的三价铁化合物由于碱性条件可以稳定存在反应装置内进行持续利用，处理成本低，说明卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)在厌氧条件下对废水中的氨氮或总氮都具有良好的去除作用。
实施例2
研究不同因素对卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)废水中的氨氮或总氮去除率的影响：
1、碳源对去除率的影响
将实施例1中的碳源分别替换为乙醇、葡萄糖、乙酸钠、丁二酸钠、柠檬酸钠，并保证加入碳源后培养基中C/N＝12，铁氨氧化培养基的其他成分为：FeCl3、(NH4)2SO4、MgSO4·7H2O、微量元素溶液和蒸馏水的质量体积比为5.0:1.0:1.0:1.0:0.2:2.0:1，g:g:g:g:mL:L，pH＝8.0。每100mL培养基分装于340mL厌氧瓶进行灭菌处理，灭菌完成后1％接种卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)LB种子液，使用氩气吹刷排除瓶内空气并用橡胶塞盖拧紧置于恒温摇床80rpm 30℃培养48h，按实施案例1对氨氮去除率进行测算。结果如图2所示，说明以乙醇、葡萄糖、乙酸钠、丁二酸钠、柠檬酸钠为碳源时，卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)都能达到出去氨氮的效果，但是将蔗糖和葡萄糖作为碳源时，氨氮去除率能达到80％以上，蔗糖的氨氮去除最高达到82.3％。
2、培养基中C/N对去除率的影响
调整加入的碳源(蔗糖)的量，将实施例1中的C/N分别调整为2、4、6、8、10、12、16、20，按照上述方法同样培养和检测，得到氨氮的去除率如图3所示。说明卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)在C/N为2～20的铁氨氧化培养基中都具有去除氨氮的效果，并且在C/N为12～20时氨氮去除率都能达到80％以上。
3、培养基中pH值对去除率的影响
用HCl或NaOH调节铁氨氧化培养基的pH值，分别为4、5、6、7、8、9、10、11、12，按照上述方法同样培养和检测，得到氨氮的去除率如图4所示。说明卓贝尔氏菌(Zobellellataiwanensis DN-7菌)在pH为4～12的铁氨氧化培养基中都具有去除氨氮的效果，并且在pH为8～10时氨氮去除率都能达到90％以上。
4、培养基过程中温度对去除率的影响
将实施例1中的铁氨氧化培养基培养分别在20℃、25℃、30℃、37℃、42℃，按照上述方法同样培养和检测，得到氨氮的去除率如图5所示。说明卓贝尔氏菌(Zobellellataiwanensis DN-7菌)在温度为20～42℃的铁氨氧化培养基中都具有去除氨氮的效果，并且在温度为25～37℃时，氨氮去除率最高，超过90％。
5、培养基中加入的三价铁化合物种类对去除率的影响
将实施例1中的FeCl3分别采用Fe(OH)3、Fe2(SO4)3、Fe2O3、Fe3O4、FePO4替换，三价铁离子的在废水中的浓度相同，按照上述方法同样培养和检测，得到氨氮的去除率如图6所示。说明卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)在添加了三价铁化合物FeCl3、Fe(OH)3、Fe2(SO4)3或FePO4铁氨氧化培养基中都具有良好的去除氨氮效果，其中FeCl3、Fe(OH)3、Fe2(SO4)3存在时卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)的氨氮去除效率皆超过80％，而另外两种难溶于水的三价铁化合物(Fe2O3、Fe3O4)可能难以被DN-7利用而导致氨氮去除效率较低。
6、培养基中溶氧状态对去除率的影响
将实施例1中的厌氧状态分别替换为缺氧(缺氧状态为不使用氩气吹刷，直接用橡胶塞拧紧瓶盖封闭瓶内空气)和低氧状态(低氧状态为用可透气的封口膜代替橡胶塞)，同时添加不含FeCl3的实验作为对照组，按照上述方法同样培养和检测，得到氨氮的去除率如图7所示。说明三者不同溶氧状态卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)氨氮去除率皆超过80％，且随着溶氧浓度的提升氨氮去除率有所升高，低氧状态下的卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)氨氮去除率达到98.7％，对照组(不含有FeCl3的组)显示氧气可以直接促进卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)的氨氧化作用，但是低浓度的氧气会限制氨氧化效率；实验表明氧气并不会抑制卓贝尔氏菌(Zobellellataiwanensis DN-7菌)的铁氨氧化作用，相反氧气的存在可以使还原的二价铁重新被氧化为三价铁，并维持pH值的稳定，提升铁氨氧化效率。
上述应用中将三价铁化合物添加到废水中后三价铁的浓度可以在0.01～1mol/L，同样能够有效提高废水汇总氨氮的去除效率。
综上所述，卓贝尔氏菌(Zobellella taiwanensis DN-7菌)可以在厌氧或缺氧条件下利用三价铁进行铁氨氧化作用，与传统硝化菌相比无需氧气参与，降低了曝气能耗。该菌为异养菌，生长迅速，无需大型的培养装置来提高处理负荷，污水中有机物不会抑制氨氮去除效率，耐受环境冲击能力更强，反应器可以快速启动；反应产物主要为氮气，几乎没有氮氧化物积累，反应更加彻底；适应pH值范围为中性和碱性，比偏酸性要求的自养菌更加实用，而且碱性pH值可以保证三价铁和二价铁处于难溶状态，不容易流失，不会增加出水色度造成二次污染。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.卓贝尔氏菌在高效除氨氮中的应用，其特征在于，所述应用具体为：卓贝尔氏菌在三价铁化合物和有机碳源的存在下，在厌氧或缺氧条件下能够降低氨氮或总氮含量；
所述卓贝尔氏菌为Zobellella taiwanensis DN-7菌。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述三价铁化合物为FeCl3、Fe(OH)3、Fe2(SO4)3或FePO4中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述碳源为葡萄糖、乙酸钠、丁二酸钠或蔗糖中地任意一种或几种。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述应用中碳源中C与氨氮中N的C/N比为6～20。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述三价铁化合物加入到待处理溶液中后三价铁的浓度为0.01～1mol/L。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述应用中氨氮去除的条件为pH为4～12、温度为20～40℃。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述应用中氨氮去除的条件为pH为8～10、温度为25～37℃。
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