CN114853182A - 基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其包括：S01、将反硝化细菌的冻干粉使用营养肉汤培养基稀释后，接种至斜面试管培养基或平面培养基中进行活化，再转移至液体培养基中，使两种菌株在厌氧罐中培养3～4天后，获得反硝化细菌菌液；S02、移取乙酸钠和硝酸钠，将其混合配置成预设浓度的乙酸钠‑硝酸钠反应液，然后加入到含锌离子的待处理水体中，形成混合溶液，再将反硝化细菌与等体积的液体培养基加入混合溶液中，令其在预设温度和厌氧环境下，进行反应；本方案工艺简单、去除效率高且成本低和实施可靠。

Description

基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术及微生物应用技术领域，尤其涉及基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法。
背景技术
重金属是一类移动性差、难以降解并对人类的生产和活动具有潜在危害的污染物。传统的重金属处理方法主要包括化学沉淀法、离子交换法、蒸发浓缩法、电解法、活性炭和硅胶吸附法和膜分离法等，但这些方法存在去除不彻底、费用昂贵、产生有毒污泥或其他废料等缺点。因此，研究与开发高效环保型的重金属处理技术和工艺成为研究的热点之一。
近年来，随着微生物诱导碳酸盐沉淀技术(Microbial induced calciteprecipitation,MICP)的发展，利用微生物治理重金属污染的方法得到越来越多研究者的关注。微生物处理法是通过细菌、真菌、藻类等微生物的生命代谢活动产生的碳酸根离子与重金属阳离子结合形成不可溶的碳酸盐沉淀，使得重金属污染物不再扩散，从而降低土壤和污水中重金属离子的浓度。
目前，微生物矿化重金属工艺主要依靠产脲酶菌的尿素水解作用，但在尿素水解过程中，不可避免的会生成氨气和铵根离子，其对环境，特别是水体环境具有严重的副作用。因此，如何降低含重金属污水处理的难度、处理成本和提高处理效率是非常具有现实意义的技术课题。
在此背景技术下，本项目将利用反硝化细菌通过反硝化作用，诱导重金属离子生成重金属碳酸盐矿物，探索微生物治理重金属污染的新方法。同传统物理化学处理技术相比具有明显优势，如处理工艺简单、去除率高、成本低。同利用产脲酶细菌处理技术相比也具有显著优势，如生成副产物为氮气，具有脱氮能力；更适合在水体等缺氧环境中处理重金属。因而该技术是更有发展潜力和市场前景的重金属处理技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种工艺简单、去除效率高且成本低和实施可靠的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其包括：
S01、菌液培养：将反硝化细菌的冻干粉使用营养肉汤培养基稀释后，接种至斜面试管培养基或平面培养基中进行活化，再转移至液体培养基中，在30～37℃的厌氧罐中培养3～4天后，获得反硝化细菌菌液；
S02、移取乙酸钠和硝酸钠，将其混合配置成预设浓度的乙酸钠-硝酸钠反应液或直接加入到含锌离子的待处理水体中，令其达到预设终浓度，形成混合溶液，再将反硝化细菌菌液与液体培养基等体积比例加入混合溶液中，令其在预设温度和厌氧环境下，进行反应。
作为一种可能的实施方式，进一步，S01中，所述的反硝化细菌为铜绿假单胞菌或卡斯特兰尼氏菌，所述反硝化细菌菌液的OD600值为3.0～3.2。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的铜绿假单胞菌为市销购置的铜绿假单胞菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10612。
其中，所述的铜绿假单胞菌(拉丁文名为：Pseudomonas aeruginosa)菌体细长且长短不一，呈球状或线状，成对或短链状排列；在血琼脂平板上生长时可以见到菌落周围有溶血环，菌落呈金属光泽，在铜绿假单胞菌培养基上呈蓝绿色或者红褐色菌落，365nm紫外灯下显荧光，该菌在25℃-42℃的培养基温度范围下均能生长。
作为一种较优的实施选择，优选的，所述的卡斯特兰尼氏菌为市销购置的卡斯特兰尼氏菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10720。
其中，所述的卡斯特兰尼氏菌(拉丁文名为：Castellaniella denitrificans)表面光滑湿润，边缘规则，圆形，无晕环，中央隆起，革兰氏阴性，在2216e培养基上菌落呈土黄色，不透明，该菌在25℃-28℃的培养基温度范围下均能生长。
作为一种可能的实施方式，进一步，步骤S02中，所述乙酸钠-硝酸钠反应液在待处理水体中的终浓度为0.1mol/L，所述含锌离子的待处理水体中的锌离子浓度为200mg/L-600mg/L。
作为一种较优的实施选择，优选的，步骤S02中，所述反硝化细菌菌液与液体培养基的总体积与混合溶液的体积比为1∶50。
作为一种可能的实施方式，进一步，步骤S01中，所述营养肉汤培养基包括的组分及浓度为：蛋白胨10g/L，氯化钠5g/L，牛肉浸膏3g/L，所述斜面试管培养基或平面培养基均为固体培养基，其包括的组分及浓度为：蛋白胨10g/L，氯化钠5g/L，牛肉浸膏3g/L，琼脂粉25g/L，其中，所述营养肉汤培养基和固体培养基的pH均为7.0，步骤S02中，所述液体培养基为营养肉汤培养基。
基于上述方案，本发明还提供一种缺氧污水处理方法，其包括上述所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法。
基于上述方案，本发明还提供一种锌离子污染水体处理药剂，其包括铜绿假单胞菌和卡斯特兰尼氏菌。
作为一种较优的实施选择，优选的，所述的铜绿假单胞菌为市销购置的铜绿假单胞菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10612；所述的卡斯特兰尼氏菌为市销购置的卡斯特兰尼氏菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10720。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：
1、本发明方案通过将乙酸钠-硝酸钠反应液加入到待处理水体中作为反应底物，在乙酸根离子和硝酸根离子存在的条件下，反硝化微生物通过反硝化作用使乙酸根离子提供电子，并使硝酸根离子接受电子而被还原为氮气；反应过程中消耗环境中的氢离子并生成二氧化碳，使pH值上升，二氧化碳在呈碱性的溶液环境中分步水解成碳酸氢根离子与碳酸根离子，进而生成不溶于水的水锌矿，最终使锌离子被固化；在浓度为200mg/L的锌离子溶液中，锌离子去除率达到95％以上，处理效果好；
2、本发明方案所利用的微生物反硝化作用处理水体中锌离子的最终产物为氮气与水锌矿沉淀，其实现了对环境友好，无二次污染的优点，具有较大的环境效益；
3、本发明方案所需的原料价格低廉，其实施效果可靠，具有较大的经济效益；
4、本发明方案所利用的微生物反硝化作用是在缺氧条件下发生，适用于水体等缺氧环境下处理锌离子污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为两种细菌对不同浓度锌离子溶液的去除率；
图2为锌离子固化物的XRD分析；
图3为本发明方案中铜绿假单胞菌、卡斯特兰尼氏菌的扫描电镜表征图，其中，图3a为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa在锌离子浓度为200mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片；图3b为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa在锌离子浓度为400mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片；图3c为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa在锌离子浓度为600mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片；图3d为卡斯特兰尼氏菌Castellanielladenitrificans在锌离子浓度为200mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片；图3e为卡斯特兰尼氏菌Castellaniella denitrificans在锌离子浓度为400mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片；图3f为卡斯特兰尼氏菌Castellaniella denitrificans在锌离子浓度为600mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例方案基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其包括：
1、菌株培养
配制固体培养基：蛋白胨10g/L，氯化钠5g/L，牛肉浸膏3g/L，琼脂粉25g/L，配制完成后放入高压灭菌锅并在121℃，0.1Mpa下灭菌。
分别取用装于安瓶内的铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa和卡斯特兰尼氏菌Castellaniella denitrificans作为反硝化细菌，用移液枪吸取0.3mL的液体培养基(营养肉汤培养基)注入装有菌的安瓶内，利用移液枪来使反硝化细菌(铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa和卡斯特兰尼氏菌Castellaniella denitrificans)冻干粉充分溶解；然后用接种环沾取溶解后的冻干粉溶液接种于制备好的斜面试管固体培养基和平面固体培养基上，再分别置于30℃(铜绿假单胞菌)和37℃(卡斯特兰尼氏菌)的厌氧罐中进行培养，培养获得OD600值为3.0～3.2的反硝化细菌菌液(铜绿假单胞菌菌液、卡斯特兰尼氏菌菌液)；
其中，所述营养肉汤培养基包括的组分及浓度为：蛋白胨10g/L，氯化钠5g/L，牛肉浸膏3g/L；
另外，所述的铜绿假单胞菌为市销购置的铜绿假单胞菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10612，所述的卡斯特兰尼氏菌为市销购置的卡斯特兰尼氏菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10720。
2、水体中锌离子金属的固化
分别称取8.499g、8.203g的NaNO3和CHCOONa加至1L的去离子水中混合配置成0.1mol/L的反应液，用于提供PA(铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa)与CD(卡斯特兰尼氏菌Castellaniella denitrificans)进行反硝化作用时的反应底物。
分别称取416.993mg、833.986mg、1250.979mg的ZnCl2加入至反应液中配置成3组锌离子浓度分别为200mg/L、400mg/L、600mg/L的混合溶液(也可以先行配置对应浓度的锌离子溶液，然后加入NaNO3和CHCOONa，即混合溶液中乙酸根离子和硝酸根离子终浓度为0.1mol/L)。
将3组混合溶液分别分为铜绿假单胞菌测试组、卡斯特兰尼氏菌测试组，即每种反硝化菌对应3组锌离子浓度不同的待处理水体，分别加入铜绿假单胞菌菌液与卡斯特兰尼氏菌菌液及与其等体积对应的液体培养基，使混合体系在厌氧环境下反应60天，其中，反硝化菌液和液体培养基总体积与混合溶液的体积比均为1：50。
对反应后的6组测试样进行提取，对其进行锌离子浓度测定，结果表明，铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa对锌离子浓度为200mg/L溶液的最高，结果为97.16％；卡斯特兰尼氏菌Castellaniella denitrificans对锌离子浓度为200mg/L溶液的最高，达到了98.31％，结果如图1所示。
3、对所形成的锌离子固化物的分析
对沉淀物质进行XRD分析，结果如图2所示，沉淀物均为Zn5·(OH)6·2(CO3)(水锌矿)。对沉淀物进行电镜观察，图3a-c为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa分别在锌离子浓度为200mg/L、400mg/L、600mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片，沉淀物主要呈片壳状，随着锌离子浓度的降低，晶体团聚体之间的结合更加紧密，且团聚体表面的片状晶体数量随之增多。图3d-f为卡斯特兰尼氏菌Castellaniella denitrificans分别在锌离子浓度为200mg/L、400mg/L、600mg/L下固化锌离子后的扫描电镜照片，沉淀物主要呈片壳状或致密块状，随着Zn2+浓度的升高，晶体团聚体之间的孔隙也随之增多。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其特征在于，其包括：
S01、菌液培养：将反硝化细菌的冻干粉使用营养肉汤培养基稀释后，接种至斜面试管培养基或平面培养基中进行活化，再转移至液体培养基中，在30～37℃的厌氧罐中培养3～4天后，获得反硝化细菌菌液；
S02、移取乙酸钠和硝酸钠，将其混合配置成预设浓度的乙酸钠-硝酸钠反应液或直接加入到含锌离子的待处理水体中，令其达到预设终浓度，形成混合溶液，再将反硝化细菌菌液与液体培养基等体积比例加入混合溶液中，令其在预设温度和厌氧环境下，进行反应。
2.如权利要求1所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其特征在于，S01中，所述的反硝化细菌为铜绿假单胞菌或卡斯特兰尼氏菌，所述反硝化细菌菌液的OD600值为3.0～3.2。
3.如权利要求2所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其特征在于，所述的铜绿假单胞菌为市销购置的铜绿假单胞菌，其拉丁文名为：Pseudomonasaeruginosa，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10612。
4.如权利要求2所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其特征在于，所述的卡斯特兰尼氏菌为市销购置的卡斯特兰尼氏菌，其拉丁文名为：Castellaniella denitrificans，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10720。
5.如权利要求1所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其特征在于，步骤S02中，所述乙酸钠-硝酸钠反应液在待处理水体中的终浓度为0.1mol/L，所述含锌离子的待处理水体中的锌离子浓度为200mg/L-600mg/L。
6.如权利要求5所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其特征在于，步骤S02中，所述反硝化细菌菌液与液体培养基的总体积与混合溶液的体积比为1∶50。
7.如权利要求1所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法，其特征在于，步骤S01中，所述营养肉汤培养基包括的组分及浓度为：蛋白胨10g/L，氯化钠5g/L，牛肉浸膏3g/L，所述斜面试管培养基或平面培养基均为固体培养基，其包括的组分及浓度为：蛋白胨10g/L，氯化钠5g/L，牛肉浸膏3g/L，琼脂粉25g/L，其中，所述营养肉汤培养基和固体培养基的pH均为7.0，步骤S02中，所述液体培养基为营养肉汤培养基。
8.一种缺氧污水处理方法，其特征在于：其包括权利要求1至7之一所述的基于微生物反硝化作用进行处理水体中锌离子污染的方法。
9.一种锌离子污染水体处理药剂，其特征在于：其包括铜绿假单胞菌和/或卡斯特兰尼氏菌。
10.根据权利要求9所述的一种锌离子污染水体处理药剂，其特征在于：所述的铜绿假单胞菌为市销购置的铜绿假单胞菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10612；所述的卡斯特兰尼氏菌为市销购置的卡斯特兰尼氏菌，其来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心，CGMCC菌株编号为1.10720。
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