CN113636642A - 一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，包括：在反应器中接种功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化污泥，以浓度均为250～300mg L‑1的氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素，待反应器运行稳定后进水中再添加20～40μg L‑1外源信号分子C6‑HSL，持续运行，富集功能菌Candidatus Kuenenia，长效持续提高所述厌氧氨氧化污泥中功能菌Candidatus Kuenenia的丰度。

Description

一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法
技术领域
本发明涉及氧氨氧化菌富集技术领域，具体涉及一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法。
背景技术
厌氧氨氧化工艺是在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以硝酸盐为电子受体，将氨转化为氮气的化能自养型脱氮工艺。与传统的硝化-反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有脱氮效率高、耗氧量低、污泥产量低、甚至不需要有机碳补给等优点。
厌氧氨氧化菌为球状菌，平均直径为800-1100nm，总体呈红色。目前实验室多采用序批式反应器、升流式厌氧污泥床(UASB)反应器、生物转盘等反应器实现厌氧氨氧化菌的培养。然而，由于厌氧氨氧化菌生长缓慢(倍增时间为10-14天)，其富集难度很大，且厌氧氨氧化菌的活性易受温度、pH、有机物、重金属和抗生素等环境因子的影响，从而降低厌氧氨氧化菌在系统中的丰度。因此，寻找富集厌氧氨氧化菌的方法，是本领域迫切需要解决的一个技术难题。
群体感应是细菌间的一种交流方式。具有群体感应行为的细菌可以合成和释放信号分子，当环境中信号分子的浓度达到阈值时，细菌会调节相关基因的表达，并赋予微生物发光、生物膜形成、基因水平转移、蛋白酶合成等能力。革兰氏阴性细菌分泌的含有N-酰基高丝氨酸内酯类化合物是典型的种内信号分子。
公开号为CN103421735A的专利说明书公开了一种受损厌氧氨氧化菌群的快速修复方法，研究对象是受损厌氧氨氧化菌群，厌氧氨氧化菌在该菌群中占50-60％且其中一半以上细菌细胞已受损或死亡，采取的方案是在较低的氨氮、亚硝酸氮浓度(60-100mg/L)下添加30mg/L的C6-HSL，通过整个菌群的干重变化反映所有细菌的增值情况，并未研究厌氧氨氧化菌在整体菌群中的丰度变化。
公开号为CN112759065A的专利说明书公开了厌氧氨氧化反应器快速启动及厌氧氨氧化菌活性恢复的方法，其中厌氧氨氧化反应器快速启动的方法需要结合电磁场的配合，厌氧氨氧化菌活性恢复的方法则同样是针对受损的厌氧氨氧化菌，而且所谓恢复，最多只能达到失去活性前稳定运行时的水平。
以上专利技术文件都不是针对已经处于稳定运行阶段的厌氧氨氧化反应器，也都没有解决如何进一步提高已经处于稳定运行阶段的厌氧氨氧化反应器中厌氧氨氧化菌丰度的问题。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，针对高氨氮、亚硝氮浓度下运行稳定的Candidatus Kuenenia厌氧氨氧化系统，添加低浓度C6-HSL(N-己酰高丝氨酸内酯)，即可使厌氧氨氧化菌Candidatus Kuenenia丰度显著升高且系统仍稳定运行。本发明可有效富集厌氧氨氧化菌，并实现厌氧氨氧化工艺的高效稳定运行。
一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，包括：在反应器中接种功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化污泥，以浓度均为250～300mg L-1的氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素，待反应器运行稳定后进水中再添加20～40μgL-1外源信号分子C6-HSL，持续运行，富集功能菌Candidatus Kuenenia，长效持续提高所述厌氧氨氧化污泥中功能菌Candidatus Kuenenia的丰度。
Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia是自然和人工生态系统中常见的厌氧氨氧化菌。相比之下，Candidatus Kuenenia的生长速率更为缓慢，因此，提高所述厌氧氨氧化污泥中关键功能菌Candidatus Kuenenia的丰度具有实际意义，可为实际工艺系统中厌氧氨氧化菌的富集提供新思路。
本发明中，C6-HSL的添加量仅20～40μg L-1，远低于修复所需的浓度(如30mg L-1)，添加量节省约10倍，极大地降低了技术成本，具有经济适用性。
作为优选，所述的添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，所述反应器为升流式厌氧污泥床反应器。
作为优选，所述的添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，所述反应器在35±1℃的恒温培养箱中避光运行，为厌氧氨氧化菌提供适宜的生存环境。
作为优选，所述的添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，接种的厌氧氨氧化污泥为粒径小于0.9mm的絮状污泥。
作为优选，所述的添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，接种的厌氧氨氧化污泥体积与反应器容积之比为1/2，接种的厌氧氨氧化污泥中挥发性悬浮物的浓度为20～25mg L-1，可使C6-HSL与厌氧氨氧化污泥充分接触，从而促进群体感应的发生及其作用。
作为优选，所述的添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，进水中氨态氮和亚硝态氮的浓度均为280mg L-1。
作为优选，所述的添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，所述无机盐包括KH2PO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O和KHCO3，以提供适宜厌氧氨氧化菌生存的pH在7.5左右。
作为优选，所述的添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，所述微量元素通过微量元素溶液I和微量元素溶液II的形式添加；
所述微量元素溶液I中含有EDTA和FeSO4·7H2O；
所述微量元素溶液II中含有EDTA、H3BO4、MnCl2·4H2O、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、NiCl2·6H2O、NaMoO4·2H2O和CoCl2·6H2O。
本发明方法可使运行稳定的厌氧氨氧化污泥中的Candidatus Kuenenia丰度绝对值进一步提高8.6％。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了C6-HSL在长效持续提高厌氧氨氧化污泥中功能菌Candidatus Kuenenia的丰度中的应用，在反应器中接种功能菌为CandidatusKuenenia的厌氧氨氧化污泥，以浓度均为250～300mg L-1的氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素，待反应器运行稳定后进水中再添加20～40μg L-1外源信号分子C6-HSL，持续运行，富集功能菌Candidatus Kuenenia。
本发明研究发现，在停止添加C6-HSL后，厌氧氨氧化污泥中功能菌CandidatusKuenenia的丰度仍会持续上升一段时间。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明可以使已经稳定的厌氧氨氧化系统中功能菌Candidatus Kuenenia的丰度得到进一步的显著提升，从而促进系统的脱氮性能和污泥活性提升，为厌氧氨氧化菌的富集提供一种有效技术。
附图说明
图1为实施例反应器运行过程中厌氧氨氧化菌Candidatus Kuenenia的丰度变化图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，包括步骤：
(1)采用有效容积为1L的升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，接种粒径小于0.9mm的厌氧氨氧化絮状污泥，初始污泥量为0.5L，将反应器置于35±1℃的恒温培养箱中避光运行，水力停留时间为2～3h。接种的厌氧氨氧化污泥中挥发性悬浮物的浓度为24.6mg L-1。
(2)反应器进水主要成分为硫酸铵和亚硝酸钠，加以适量的无机盐溶液使得反应器进水pH在7.5左右，同时提供厌氧氨氧化菌所需的微量元素。进水具体组分及浓度见下表：
Figure BDA0003201984410000051
(3)进行为期15天的驯化阶段，期间不提供C6-HSL，反应器的脱氮率达到90.58％，此时反应器已运行稳定，比厌氧氨氧化活性(SAA)为107.8±3.5mg N gVSS-1day-1。在第15天采集污泥样品1进行高通量测序，得到该系统中关键功能菌Candidatus Kuenenia的丰度。
(4)接下来进行为期96天的C6-HSL投加阶段，在进水中投加30μg L-1的C6-HSL，并采集不同运行天数下的厌氧氨氧化污泥样品2-4进行高通量测序及微生物群落结构分析。
(5)停止添加C6-HSL后，继续进行39天的厌氧氨氧化工艺稳定阶段，并在第39天采集厌氧氨氧化污泥样品5进行高通量测序及微生物群落结构分析。
(6)根据高通量测序的结果，对群落结构进行分析，所采集的5个污泥样品的Candidatus Kuenenia丰度分别为20.5％、25.5％、24.9％、27.0％和29.1％(附图1)。另外设置对照组，始终不添加C6-HSL，污泥样品的Candidatus Kuenenia丰度始终在20％左右。这些实验结果表明：在C6-HSL的作用下，厌氧氨氧化污泥的功能菌Candidatus Kuenenia的丰度明显提高，且在C6-HSL停止添加39天后，其丰度仍增加，说明C6-HSL对厌氧氨氧化优势菌的富集不仅有即时效果，更存在后续的长期促进作用。Candidatus Kuenenia丰度绝对值增加8.6％，相对值增长42％。
总体而言，本发明通过在已经于高氨氮、亚硝氮浓度下稳定的厌氧氨氧化污泥中添加微量C6-HSL，成功实现厌氧氨氧化菌Candidatus Kuenenia的丰度提升和富集培养，且该外源信号分子对菌种富集的促进作用存在持久性，从而大大节约了经济成本。本发明为实际应用中厌氧氨氧化菌的富集培养提供了新的视角与理论支持，同时为厌氧氨氧化工艺的性能稳定及推广应用提供了新的方法与思路。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种添加外源信号分子富集厌氧氨氧化菌的方法，其特征在于，包括：在反应器中接种功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化污泥，以浓度均为250～300mg L-1的氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素，待反应器运行稳定后进水中再添加20～40μg L-1外源信号分子C6-HSL，持续运行，富集功能菌Candidatus Kuenenia，长效持续提高所述厌氧氨氧化污泥中功能菌Candidatus Kuenenia的丰度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应器为升流式厌氧污泥床反应器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应器在35±1℃的恒温培养箱中避光运行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接种的厌氧氨氧化污泥为粒径小于0.9mm的絮状污泥。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接种的厌氧氨氧化污泥中挥发性悬浮物的浓度为20～25mg L-1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进水中氨态氮和亚硝态氮的浓度均为280mg L-1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机盐包括KH2PO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O和KHCO3。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微量元素通过微量元素溶液I和微量元素溶液II的形式添加；
所述微量元素溶液I中含有EDTA和FeSO4·7H2O；
所述微量元素溶液II中含有EDTA、H3BO4、MnCl2·4H2O、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、NiCl2·6H2O、NaMoO4·2H2O和CoCl2·6H2O。
9.C6-HSL在长效持续提高厌氧氨氧化污泥中功能菌Candidatus Kuenenia的丰度中的应用，其特征在于，在反应器中接种功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化污泥，以浓度均为250～300mg L-1的氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素，待反应器运行稳定后进水中再添加20～40μg L-1外源信号分子C6-HSL，持续运行，富集功能菌Candidatus Kuenenia。
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