CN114409095A - 利用固定化光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用固定光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法，该方法包括：采用固定有光合细菌菌群的球粒处理水产养殖尾水，其中固定有光合细菌菌群的球粒是以壳聚糖‑海藻酸钠复合物为载体，载体内部包埋有红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌。本发明中，将固定有光合细菌菌群的球粒投入水产养殖尾水中，利用红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌的协同作用，以及包埋材料的吸附作用，共同净化水产养殖尾水中的包括氨氮、磷及污损生物在内的有机污染物，由此实现对水产养殖废水的有效处理，具有工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效率高、处理效果好、绿色环保等优点，可广泛处理水产养殖尾水，使用价值高，应用前景好。
Description
技术领域
本发明属于水产养殖尾水处理的技术领域，涉及一种利用固定化光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法。
背景技术
随着人们对食品水产品需求的不断增加，水产养殖业在世界范围内迅速发展。与此同时，随着市场需求的持续增长，养殖户实施高密度、高投入、高产出的养殖方式，使得大量未消纳的饲料和鱼虾粪便成进入到水产养殖水体中，成为水产养殖水体中有机污染物的主要来源，其中水产养殖水体中总磷、非离子氨、高锰酸盐指数等浓度极具增大，导致水产养殖水体水质明显下降。水产养殖尾水中的主要污染物包括氨氮、磷及污损生物等，而这些污染物的存在也会进一步危及鱼类的生长发育，同时也可能会造成新的污染。因此，如何高效去除水产养殖废水中包括氨氮、磷及污损生物在内的污染物，是现阶段亟需解决的技术问题。
光合细菌(Photosynthetic bacteria，PSB)是一类以光作为能源，能在厌氧光照或者好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体以及碳源，从而进行光合作用的原核微生物，可有效促进元素循环，包括碳和氮代谢，添加光合细菌可有效改善养殖水质，并提高水产品幼体成活率。然而，光合细菌治理水产养殖废水时，也存在诸多缺点：由于光合细菌细胞个体较小，故回收困难；光合细菌治理水产养殖废水过程中，需要间断定时的加入菌液，增大使用成本。另外，一些有颜色的光合细菌在治理废水时，废水出水会变色，严重阻碍了光合细菌治理废水走向实际应用和推广的步伐。此外，在本申请发明人的实际研究过程中还发现，仅以分离的红假单胞单株菌用于治理实际水产养殖废水时难以高效去除养殖废水中包括氨氮、磷及污损生物在内的污染物。因此，如何克服上述现有技术中存在的缺陷，以获得一种工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效率高、处理效果好、绿色环保的处理水产养殖尾水的方法，对于实现水产养殖废水的有效治理具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效率高、处理效果好、绿色环保的利用固定化光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种利用固定光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法，包括以下步骤：采用固定有光合细菌菌群的球粒处理水产养殖尾水；所述固定有光合细菌菌群的球粒是以壳聚糖-海藻酸钠复合物为载体，所述载体内部包埋有光合细菌菌群，所述光合细菌菌群包括红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌。
上述的方法，进一步改进的，所述固定有光合细菌菌群的球粒的制备方法包括以下步骤：
(1)将壳聚糖、海藻酸钠、乙酸与水混合，加入光合细菌菌群菌悬液，得到混合溶液；
(2)将步骤(1)中得到的混合溶液滴加到氢氧化钠溶液中进行交联反应，形成球粒并将光合细菌菌群固定在球粒内部，得到固定有光合细菌菌群的球粒。
上述的方法，进一步改进的，步骤(1)中，所述混合溶液中，壳聚糖的质量分数为2％～4％，海藻酸钠的质量份数为1％～2％、乙酸的质量份数为1％～2％；所述光合细菌菌群菌悬液的体积为混合溶液总体积的3％～5％；所述光合细菌菌群菌悬液中以干菌种质量计浓度为1g/L～3g/L。
上述的方法，进一步改进的，步骤(1)中，所述光合细菌菌群菌悬液由以下方法培育得到：
S1、以河流底泥为接种物，置于液体培养基中，在光照条件下进行进行厌氧培养，直至菌液颜色变为深红色为止，得到光合细菌菌群富集溶液；
S2、将步骤S1中得到的光合细菌菌群富集溶液进行离心，收集菌体，所得菌体悬浮于无菌水中，得到光合细菌菌群菌悬液。
上述的方法，进一步改进的，步骤S1中，所述液体培养基中包含以下组分：乙酸钠2.5g/L，黄腐酸0.2g/L，酵母膏0.4g/L，MgSO4 0.5g/L，NH4Cl 1.0g/L，KH2PO4 0.5g/L，NaHCO31.0g/L，10mL/L的微量元素溶液；所述微量元素溶液包含以下组分：FeCl2·6H2O 5mg/L，CuSO4·5H2O 0.05mg/L，H3BO3 1mg/L，MnCl2·4H2O 0.05mg/L，ZnSO4·7H2O 1mg/L，Co(NO3)2·6H2O 0.5mg/L；所述液体培养基的pH值为7；所述厌氧培养之前还包括以下处理：将培养体系置于115℃～120℃下进行高压蒸汽灭菌20min～30min；所述厌氧培养的条件为：光照强度为4000Lx～6000Lx，温度为27℃～30℃；所述厌氧培养的次数为3次，单次培养时间为7天。
上述的方法，进一步改进的，步骤S2中，所述离心在转速为6000r/min～8000r/min下进行；所述光合细菌菌群菌悬液中按体积分数计包括71.7％～85.2％的红假单胞菌、2.5％～7.7％的脱硫弧菌、0.7％～8.43％的蛋白质菌和1.9％～4.2％的拟杆菌。
上述的方法，进一步改进的，步骤(2)中，所述氢氧化钠溶液与混合溶液的体积比为2∶1；所述氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L～2mol/L；所述氢氧化钠溶液的滴加速率为1滴/秒～3滴/秒；所述交联反应的时间为6h～12h。
上述的方法，进一步改进的，所述固定有光合细菌菌群的球粒的添加量为每升水产养殖尾水中添加固定有光合细菌菌群的球粒30g～50g。
上述的方法，进一步改进的，所述水产养殖尾水中总氮浓度为3.07mg/L～4.41mg/L，总磷浓度为0.49mg/L～0.50mg/L，氨氮浓度为0.62mg/L～2.47mg/L。
上述的方法，进一步改进的，所述处理的时间为5天～6天。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种利用固定光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法，将固定有光合细菌菌群的球粒投入水产养殖尾水中，利用光合细菌菌群中红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌的协同作用，与包埋材料的吸附作用，共同净化水产养殖尾水中的包括氨氮、磷及污损生物在内的有机污染物，由此实现对水产养殖废水的有效处理。本发明中，红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌固定在壳聚糖-海藻酸钠复合物中，不仅不会抑制光合细菌菌群的活性，而且还可以阻止光合细菌菌群的泄漏，提高了体系的传质速率，在保证光合细菌生长活性的前提下，有利于提高光合细菌菌群对水产养殖尾水的处理效果，与此同时，还有利于实现光合细菌菌群的回收，避免二次污染。本发明中，在处理过程中，无需额外加入固定有光合细菌菌群的球粒，有利于降低成本。本发明利用固定化光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法，具有工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效率高、处理效果好、绿色环保等优点，可广泛处理水产养殖尾水，并能实现对水产养殖尾水中有机污染物的有效去除，使用价值高，应用前景好。
(2)本发明中，固定有光合细菌菌群的球粒由光合细菌菌群经壳聚糖、海藻酸钠包埋材料包埋和氢氧化钠交联剂交联反应后制备得到，该固定有光合细菌菌群的球粒可在室温下快速合成，制备方法快速简单，反应条件温和，成本低廉，且由此制得的固定有光合细菌菌群的球粒(固定化颗粒)的机械性能强，不易破碎；与此同时，利用壳聚糖和海藻酸钠为固定化复合型材料，具有生物降解性、细胞亲和性、生物效应和稳定性等许多独特的性质。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。
图1为本发明实施例1中固定有光合细菌菌群的球粒对水产养殖尾水中氨氮、TP和TN的处理效果图。
图2为本发明实施例1、对比例1和对比例2中固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水中TP的处理效果图。
图3为本发明实施例1、对比例1和对比例2中固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水中TN的处理效果图。
图4为本发明实施例1、对比例1和对比例2中固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水中氨氮的处理效果图。
图5为本发明实施例2中固定化光合细菌菌群在不同光暗比条件下对水产养殖尾水的处理效果对比图。
图6为本发明实施例3中不同投加量固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水的处理效果对比图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1：
一种利用固定化光合细菌菌群(壳聚糖+海藻酸钠复合型固定化球粒)处理水产养殖尾水的方法，包括以下步骤：
按照固定有光合细菌菌群的球粒的添加量为每升水产养殖尾水中添加固定有光合细菌菌群的球粒40g，将固定有光合细菌菌群的球粒与水产养殖尾水(该水产养殖尾水中，总氮浓度为3.07mg/L，总磷浓度为0.49mg/L，氨氮浓度为2.471mg/L)混合，在光暗比为12h∶12h(每天在光照条件下12h，在黑暗条件下12h)的条件下处理6天，完成对水产养殖尾水的处理，其中采用的固定有光合细菌菌群的球粒是以壳聚糖-海藻酸钠复合物为载体，载体内部包埋有光合细菌菌群，光合细菌菌群包括红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌。
本实施例中，采用的固定有光合细菌菌群的球粒由以下方法制备得到：
(1)以河流底泥为接种物，置于液体培养基中，于120℃下进行高压蒸汽灭菌20min，于光照强度为4000Lx、温度为30℃的条件下进行进行厌氧培养，直至菌液颜色变为深红色为止，其中厌氧培养的次数为3次，每次厌氧培养的时间为7天，对菌群进行富集培养，得到光合细菌菌群富集溶液。该步骤中，液体培养基中包含以下组分：乙酸钠2.5g/L，黄腐酸0.2g/L，酵母膏0.4g/L，MgSO4 0.5g/L，NH4Cl 1.0g/L，KH2PO4 0.5g/L，NaHCO3 1.0g/L，10mL/L的微量元素溶液，微量元素溶液为FeCl2·6H2O 5mg/L，CuSO4·5H2O 0.05mg/L，H3BO31mg/L，MnCl2·4H2O 0.05mg/L，ZnSO4·7H2O 1mg/L，Co(NO3)2·6H2O 0.5mg/L；该液体培养基的pH值为7。
(2)将步骤(1)中得到的光合细菌菌群富集溶液置于高速离心机中，在转速为8000r/min下进行离心，收集菌体，加入5mL无菌水，制成光合细菌菌群菌悬液。该光合细菌菌群菌悬液中以干菌种质量计浓度为3g/L，同时该光合细菌菌群菌悬液中按体积分数计包括71.7％～85.2％的红假单胞菌、2.5％～7.7％的脱硫弧菌、0.7％～8.43％的蛋白质菌和1.9％～4.2％的拟杆菌。
(3)将壳聚糖、海藻酸钠、乙酸与水混合，利用磁力搅拌器搅拌混匀，使CH3COOH完全溶解到壳聚糖和海藻酸钠溶液中，加入光合细菌菌群菌悬液，得到混合溶液。该混合溶液中，壳聚糖的质量分数为4％，海藻酸钠的质量份数为1％、乙酸的质量份数为1％；光合细菌菌群菌悬液的体积为混合溶液总体积的5％。
(4)按照滴加速率为2滴/秒，将骤(1)中得到的混合溶液滴加到浓度为1.5mol/L的氢氧化钠溶液(氢氧化钠溶液与混合溶液的体积比为2∶1)中进行交联反应6h，形成球粒并将光合细菌菌群固定在球粒内部，得到固定有光合细菌菌群的球粒，即为壳聚糖+海藻酸钠复合型固定化球粒。
对比例1：
一种利用固定化光合细菌菌群(壳聚糖单一型固定化球粒)处理水产养殖尾水的方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：对比例1采用的固定有光合细菌菌群的球粒的制备方法中，不添加海藻酸钠。
对比例2：
一种利用固定化光合细菌菌群(海藻酸钠单一型固定化球粒)处理水产养殖尾水的方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：对比例2采用的固定有光合细菌菌群的球粒的制备方法中，不添加壳聚糖，且以CaCl2溶液作为交联剂替换实施例1中的氢氧化钠溶液。
经测试，实施例1、对比例1和对比例2中，水产养殖尾水经固定有光合细菌菌群的球粒处理后的处理效果，如图1-4和表1所示。
图1为本发明实施例1中固定有光合细菌菌群的球粒对水产养殖尾水中氨氮、TP和TN的处理效果图。图2为本发明实施例1、对比例1和对比例2中固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水中TP的处理效果图。图3为本发明实施例1、对比例1和对比例2中固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水中TN的处理效果图。图4为本发明实施例1、对比例1和对比例2中固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水中氨氮的处理效果图。
由图1-4和表3可知，实施例1中，固定有光合细菌菌群的球粒(壳聚糖+海藻酸钠复合型固定化球粒)对水产养殖尾水中，氨氮的降解率为95.9％，TP的降解率为76.9％，TN的降解率为97.2％；对比例1中，固定化光合细菌菌群(壳聚糖单一型固定化球粒)对水产养殖尾水中，氨氮的降解率为81.2％，TP的降解率为88.4％，TN的降解率为85.2％；对比例2中，固定化光合细菌菌群(海藻酸钠单一型固定化球粒)对水产养殖尾水中，氨氮的降解率为85.6％，TP的降解率为58.6％，TN的降解率为86.6％。
表1实施例1和对比例1、对比例2的处理效果
| 名称 | 总氮 | 总磷 | 氨氮 |
| 实施例1 | 97.2％ | 76.9％ | 95.9％ |
| 对比例1 | 85.2％ | 88.4％ | 81.2％ |
| 对比例2 | 86.6％ | 58.6％ | 85.6％ |
实施例2
考察不同光照条件下固定化光合细菌菌群的处理效果，与实施例1基本相同，区别仅在于：在光暗比为12h∶12h(每天在光照条件下12h，在黑暗条件下12h)的条件下处理5天，在光照条件(即每天在光照条件下24h)下处理5天，以及在黑暗条件(即每天在黑暗条件下24h)下处理5天，结果如图5所示。
图5为本发明实施例2中固定化光合细菌菌群在不同光暗比条件下对水产养殖尾水的处理效果对比图。如图5所示，光照时间为光照比12h:12h对NH4 +-N、TP和TN去除效果最佳，其处理效果分别为91.8％、91.4％和89.3％。在对废水中NH4 +-N降解过程中，不同光照条件下的处理效率比较接近，说明光照时间对NH4 +-N的降解影响较小。固定化光合细菌菌群在黑暗24h的情况下仍然对TP和TN有去除效果，可能是固定化光合细菌菌群中光合细菌特性的缘故，其在厌氧光照条件下，用低分子有机物作为电子供体通过光合作用进行光能异养生长，且能够以有机物作为呼吸基质在黑暗情况下进行好氧或异养生长，所以本发明中光合细菌混合菌在光照或黑暗的情况下，都能进行生长，才使得其在不同光照时间下，仍然能通过同化作用对尾水污染物进行吸收利用，从而产生净化效果，实验最终结果与理论一致。为提高降解效率，选用最佳光照条件为光照比12h:12h。
实施例3
考察不同投加量条件下固定化光合细菌菌群的处理效果，与实施例1基本相同，区别仅在于：按照添加量为20g/L、30g/L、40g/L、50g/L、60g/L、70g/L，在光暗比为12h∶12h(每天在光照条件下12h，在黑暗条件下12h)的条件下处理5天，结果如图6所示。
图6为本发明实施例3中不同投加量固定化光合细菌菌群对水产养殖尾水的处理效果对比图。如图6所示，投加计量在40g/L时，NH4 +-N、TP和TN的去除效率达到最佳分别为92.2％、92.3％和89.9％，其中投加量在20～40g/L范围时，污染物降解效率随着投加量的增多而上升，可能是因为随着固定化光合细菌菌群的增多，载体比表面积增大，废水与固定化光合细菌菌群内部混合菌接触面积增大，废水中的有机物更容易进入固定化光合细菌菌群内部，有利于污染物的降解。
由上述可知，本发明中，将固定有光合细菌菌群的球粒投入水产养殖尾水中，利用光合细菌菌群中红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌的协同作用，以及包埋材料的吸附作用，共同净化水产养殖尾水中的包括氨氮、磷及污损生物在内的有机污染物，由此实现对水产养殖废水/尾水的有效处理，具有工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效率高、处理效果好、绿色环保等优点，可广泛处理水产养殖尾水，并能实现对水产养殖尾水中有机污染物的有效去除，使用价值高，应用前景好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种利用固定光合细菌菌群处理水产养殖尾水的方法，其特征在于，包括以下步骤：采用固定有光合细菌菌群的球粒处理水产养殖尾水；所述固定有光合细菌菌群的球粒是以壳聚糖-海藻酸钠复合物为载体，所述载体内部包埋有光合细菌菌群，所述光合细菌菌群包括红假单胞菌、脱硫弧菌、蛋白质菌和拟杆菌。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定有光合细菌菌群的球粒的制备方法包括以下步骤：
(1)将壳聚糖、海藻酸钠、乙酸与水混合，加入光合细菌菌群菌悬液，得到混合溶液；
(2)将步骤(1)中得到的混合溶液滴加到氢氧化钠溶液中进行交联反应，形成球粒并将光合细菌菌群固定在球粒内部，得到固定有光合细菌菌群的球粒。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合溶液中，壳聚糖的质量分数为2％～4％，海藻酸钠的质量份数为1％～2％、乙酸的质量份数为1％～2％；所述光合细菌菌群菌悬液的体积为混合溶液总体积的3％～5％；所述光合细菌菌群菌悬液中以干菌种质量计浓度为1g/L～3g/L。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述光合细菌菌群菌悬液由以下方法培育得到：
S1、以河流底泥为接种物，置于液体培养基中，在光照条件下进行进行厌氧培养，直至菌液颜色变为深红色为止，得到光合细菌菌群富集溶液；
S2、将步骤S1中得到的光合细菌菌群富集溶液进行离心，收集菌体，所得菌体悬浮于无菌水中，得到光合细菌菌群菌悬液。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述液体培养基中包含以下组分：乙酸钠2.5g/L，黄腐酸0.2g/L，酵母膏0.4g/L，MgSO4 0.5g/L，NH4Cl 1.0g/L，KH2PO40.5g/L，NaHCO3 1.0g/L，10mL/L的微量元素溶液；所述微量元素溶液包含以下组分：FeCl2·6H2O 5mg/L，CuSO4·5H2O 0.05mg/L，H3BO3 1mg/L，MnCl2·4H2O 0.05mg/L，ZnSO4·7H2O 1mg/L，Co(NO3)2·6H2O 0.5mg/L；所述液体培养基的pH值为7；所述厌氧培养之前还包括以下处理：将培养体系置于115℃～120℃下进行高压蒸汽灭菌20min～30min；所述厌氧培养的条件为：光照强度为4000Lx～6000Lx，温度为27℃～30℃；所述厌氧培养的次数为3次，单次培养时间为7天。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述离心在转速为6000r/min～8000r/min下进行；所述光合细菌菌群菌悬液中按体积分数计包括71.7％～85.2％的红假单胞菌、2.5％～7.7％的脱硫弧菌、0.7％～8.43％的蛋白质菌和1.9％～4.2％的拟杆菌。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氢氧化钠溶液与混合溶液的体积比为2∶1；所述氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L～2mol/L；所述氢氧化钠溶液的滴加速率为1滴/秒～3滴/秒；所述交联反应的时间为6h～12h。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述固定有光合细菌菌群的球粒的添加量为每升水产养殖尾水中添加固定有光合细菌菌群的球粒30g～50g。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述水产养殖尾水中总氮浓度为3.07mg/L～4.41mg/L，总磷浓度为0.49mg/L～0.50mg/L，氨氮浓度为0.62mg/L～2.47mg/L。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述处理的时间为5天～6天。
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