CN115449498A - 寡养单胞菌、菌剂及其降解芳香胺废水的方法和处理系统 - Google Patents

寡养单胞菌、菌剂及其降解芳香胺废水的方法和处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一株寡养单胞菌，其分类命名为寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp.），菌株名为BG‑1，于2022年8月5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，菌种保藏号为：CGMCC NO.25473。本发明的寡养单胞菌及其菌剂对芳香胺废水中的3,3'‑二氯联苯胺、2‑甲基‑5‑硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'‑甲基乙酰乙酰苯胺具有高效快速降解效果，可以强化对芳香胺废水的治理，对环境保护具有显著意义。本发明还提供了一种芳香胺废水处理系统，通过在A/O池和MBR生物池分别投加菌剂，实现对实际生产污水的处理。

Description

寡养单胞菌、菌剂及其降解芳香胺废水的方法和处理系统
技术领域
本发明属于微生物技术领域，具体涉及一株寡养单胞菌、菌剂及其降解芳香胺废水的方法和处理系统。
背景技术
有机颜料是颜料中一种重要的类型，主要由一些化学中间体经过有机化学反应合成得到，中间体作为组成有机颜料分子结构的一部分，可以直接影响到有机颜料的质量与价格。我国染颜料生产技术发达，因此可生产的有机颜料中间体的种类繁多。在生产有机颜料中间体的过程中，传统工业上的一些方法对环境污染严重。
芳香胺是一种重要的化工中间体，常常用来合成各种含氮的芳香族化合物。例如医药、农药、颜料、高分子材料等。因为苯环上含有氨基，在合成过程中容易生成含有酰胺、亚胺、偶氮、异氰酸酯和重氮化官能团的有机化合物。对氨基苯甲酰胺(PABM)是芳香胺中的一种化合物，可以做为医药与颜料的中间体。目前工业上主要用来合成高档有机颜料黄、高档有机颜料红。3,3'-二氯联苯胺简称DCB，是生产双氯联苯胺系有机颜料的重要中间体，以其为主制造的系列有机颜料产量约占有机颜料总量的25%，这些颜料广泛应用于油墨、油漆、橡胶、塑料等的着色和涂料印花浆液及涂料染色浆的生产。2-甲基-5-硝基苯胺是坚固大红及有机染料等的中间体，一般用作棉织物染色和印花的显色剂，或作为丝绸和锦纶织物的染料。2'-甲基乙酰乙酰苯胺为染料、有机颜料、农药的中间体，用于合成有机黄染料。
有染料中间体是时常会在环境中被发现的持久性有机污染物，是在人体内毒性最强的代谢产物之一，可引起遗传损伤，易使人罹患白血病。因为应用方面极广，导致其进入环境的机率很大，对环境本身的影响也就越大。由于芳香环的稳定性，常规的水处理方法很难将芳香类有机污染物开环脱除毒性。目前高级氧化技术被广泛应用于水和芳香胺废水中有机物的去除。事实上，在实际的水处理过程中，单独采用高级氧化技术降解成本较高，一般只完成有机污染物的部分氧化而不是完全矿化。因此，在高级氧化过程中会累积一系列的中间氧化产物，仍然有必要进一步深度处理。而生物处理成本较低，可对其进行降解。因此本发明所要解决的技术问题就是找到一株能够实现该类芳香胺有机物快速降解的高效微生物，通过生物优势菌株强化对芳香胺废水的治理。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一株能够实现该类芳香胺有机物快速降解的高效菌株。
本发明另一个发明目的为提出包含上述菌株的菌剂及其制备方法。
本发明同时还提出了利用上述菌株和菌剂降解芳香胺废水的方法和处理系统。
具体地，本发明提供了一株寡养单胞菌，其分类命名为寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp.），菌株名为BG-1，于2022年8月5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，菌种保藏号为：CGMCC NO.25473，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
进一步地，本发明提供了一种菌剂，所述菌剂包含上述寡养单胞菌。
本发明还提出了上述菌剂的制备方法，包括如下步骤：
S1、制备LB液体培养基和LB固体培养基；
S2、将寡养单胞菌接种在LB固体培养基斜面上，进行活化培养，获得斜面种子；
S3、将寡养单胞菌斜面种子转接到装有LB液体培养基的三角瓶中，进行培养，得发酵液；
S4、发酵液经离心后，倒去上清液，沉淀悬浮于生理盐水中，制备细胞悬液，即得菌剂。
其中，所述步骤S1中，LB液体培养基的制备方法为：将水、胰蛋白胨、酵母提取物、NaCl于容器中共混，摇动容器直至溶质溶解，调节pH至7.0-7.5，得LB液体培养基；LB固体培养基的制备方法为：在LB液体培养基中加入琼脂，得LB固体培养基。
优选地，LB液体培养基的制备方法为：将水1L、胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、NaCl10g于容器中共混，摇动容器直至溶质溶解，调节pH至7.5，得LB液体培养基；LB固体培养基的制备方法为：在LB液体培养基中加入10g琼脂，得LB固体培养基。
步骤S2中，培养条件为：温度30~35℃，时间12~36h；所述步骤S3中，培养条件为：转速150~170r/min，温度30~35℃，时间24~48h。
本发明进一步提出了上述寡养单胞菌或菌剂在降解芳香胺废水中的应用。
其中，所述芳香胺废水为含有3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺中的任意一种或多种芳香胺化合物的废水。
在降解的过程中，降解条件为：将所述的菌剂按照1~10%(V/V)的投加量投加至芳香胺废水中，芳香胺废水的温度为20~40℃，pH为7.0~9.0。
本发明还提出了一种降解芳香胺废水的方法，包括以下步骤：
（1）调节废水的 pH 值至7-9，混凝沉淀，去除沉淀得到待处理废水；
（2）将待处理废水通入活性炭吸附柱，经吸附过滤后得到一级处理废水；
（3）将一级处理废水通入A/O池，然后将所述的寡养单胞菌或所述的菌剂投加至A/O池，使待处理废水与其中的微生物菌剂接触反应，得到二级处理废水；
（4） 将二级处理废水通入MBR生物池，然后将所述的寡养单胞菌或所述的菌剂投加至MBR生物池中，二级处理废水经由MBR生物池中的生物膜接触反应并过滤，合格废水收集排放。
其中，活性炭吸附柱运行参数：停留时间为60min，吸附柱中活性炭为200kg，重复使用十次以后进行更换；
A/O池运行参数：A池溶解氧2~5mg/L，运行温度 20-40℃，HRT 24~36h，O池溶解氧0.1~0.2 mg/L，运行温度 20-40℃，HRT 18h；
MBR池运行参数：溶解氧2~5mg/L，运行温度 20-40℃，HRT 48~54h。
在一个具体的实施方式中，采用菌剂对芳香胺废水进行处理：
（1）调节废水的 pH 值至7-9，混凝沉淀，去除沉淀得到待处理废水；
（2）将待处理废水通入活性炭吸附柱，经吸附过滤后得到一级处理废水；
（3）将一级处理废水通入A/O池，然后将所述菌剂投加至A/O池，其中菌剂在芳香胺废水中的体积百分比为3~8％，使待处理废水与其中的微生物菌剂接触反应，得到二级处理废水；
（4） 将二级处理废水通入MBR生物池，然后将菌剂投加至MBR生物池中，其中菌剂在二级处理废水中的体积百分比为1~3％，二级处理废水经由MBR生物池中的生物膜接触反应并过滤，合格废水收集排放。
本发明还提供了一种芳香胺废水处理系统，包括依次连接的集水池、调节池、混凝沉淀池、活性炭吸附装置、A/O池、MBR生物池和排放池，其中，所述生物池和MBR生物池分别设置有用于投加寡养单胞菌CGMCC NO.25473的菌剂投加单元。
有益效果：本发明筛选得到了一株可高效快速降解有机芳香胺废水的寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp.）BG-1，菌株BG-1在以3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺为唯一碳源的基础盐培养基中培养后，对50mg/L染料中间体的降解率可达到99％，最高可耐受100mg/L高浓度芳香胺废水；将该菌株接种污染水体系24h后，体系中有机物的残留量可降低95％以上，表明菌株BG-1不仅可高效快速降解有机芳香胺废水，也可用于修复染料生产污染的水体、土壤等自然环境，可高效快速去除水体和土壤中该类染料中间体的残留量。
附图说明
图1为寡养单胞菌的菌落形态图；
图2为寡养单胞菌对污染物的降解效果图；
图3为pH对寡养单胞菌降解效率的影响；
图4为温度对寡养单胞菌降解效率的影响；
图5为降解时间对寡养单胞菌降解效率的影响；
图6为寡养单胞菌菌剂对实际生产芳香胺废水的污染物降解效果图；
图7为菌剂降解芳香胺废水的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
实施例1菌株的分离、纯化和鉴定。
采集某芳香胺废水处理池的活性污泥，称取5g活性污泥样品加入到50mL含有3,3'-二氯联苯胺(10mg/L)的基础盐液体培养基中。经30℃，150rpm培养5d后，每次按5％的接种量，将3,3'-二氯联苯胺质量浓度从10mg/L依次升至20mg/L、50mg/L、80mg/L、100mg/L连续富集培养。然后，将转接8次的培养液梯度稀释，涂布于含有100mg/L 3,3'-二氯联苯胺的基础盐固体培养基平板上，30℃倒置培养48h。待平板上长出单菌落后，挑取单菌落在基础盐培养基固体平板上进行划线纯化，分离获得一株单菌落，编号为BG-1。
其中，基础盐液体培养基的组分如下：(NH4)2SO4 1.0g/L、CaCl2•2H2O 0.04g/L、FeSO4•7H2O 0.005g/L、Na2HPO4•12H2O 1.0g/L、MgSO4•7H2O 0.8g/L和KH2PO4 2.0g/L。以上培养基以蒸馏水配成，pH 7.5，于高压湿热灭菌锅121℃灭菌20分钟。
基础盐固体培养基：每1L基础盐液体培养基加入15g琼脂粉。
经鉴定，该菌属于寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp.），命名菌株名为BG-1。该寡养单胞菌主要生物学特性：镜检观察该菌株细胞呈直杆状，端生鞭毛，革兰氏阴性（如图1所示）。菌落呈浅黄色、光滑、圆形、边缘整齐、菌落直径 1-2mm、好氧、菌落软而湿润、质地均匀，能够以染料有机中间体作为唯一碳源进行生长。
上述菌株于2022年8月5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，其分类命名为寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp.），菌株名为BG-1，保藏地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，菌种保藏号为：CGMCC NO.25473。
实施例2 寡养单胞菌BG-1对污染物的降解效果。
将上述鉴定为寡养单胞菌的菌株BG-1，以5%的接种量分别接种至含不同污染物（3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺）的培养基中，培养基中各污染物的初始浓度均为0.1g/L，培养基的组分为：NH4Cl 1.0g/L、KH2PO40.5g/L、Na2HPO4 1.5g/L、MgCl2 0.04g/L、CaCl2 0.05g/L，pH 7.0~7.5，在30℃、150r/min条件下摇床中培养，24h后测定各污染物含量，如图2所示。
由图2可以看出，寡养单胞菌对3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺具有高效的降解效果，降解率分别为99.63%、98.63%、99.65%和99.46%。
实施例3 pH对寡养单胞菌降解效率的影响。
将上述鉴定为寡养单胞菌的菌株BG-1，以体积比5%的接种量分别接种至含不同污染物（3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺）的培养基中，培养基中各污染物的初始浓度均为0.1g/L，培养基的组分为：NH4Cl 1.0g/L、KH2PO4 0.5g/L、Na2HPO4 1.5g/L、MgCl2 0.04g/L、CaCl2 0.05g/L，用1mol/L的盐酸及氢氧化钠调节pH值分别调至2、4、7、10，在30℃、150r/min摇床中培养，24h后测定各污染物含量，如图3所示。
由图3可以看出，pH在2~10范围内寡养单胞菌对3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺的降解率都在95%以上，表明该菌株对pH具有广泛适用性。
实施例4 温度对寡养单胞菌降解效率的影响。
将上述鉴定为寡养单胞菌的菌株BG-1，以5%的接种量分别接种至含不同农药污染物（3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺）的培养基中，培养基中各污染物的初始浓度均为0.1g/L，培养基的组分为：NH4Cl 1.0g/L、KH2PO40.5g/L、Na2HPO4 1.5g/L、MgCl2 0.04g/L、CaCl2 0.05g/L，pH 7.0-7.5，分别置于20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，150r/min摇床中培养，24h后测定各污染物含量，如图4所示。
由图4可以看出，在20~40℃范围内寡养单胞菌对污染物的降解率在不断上升，在30℃时，降解率高达99%，当温度为40℃时，降解率下降。以上结果表明寡养单胞菌对3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺的最适降解温度为30℃。
实施例5 降解时间对寡养单胞菌降解效率的影响。
将上述鉴定为寡养单胞菌的菌株BG-1，以体积比5%的接种量分别接种至含不同污染物（3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺）的培养基中，培养基中各污染物的初始浓度均为0.1g/L，培养基的组分为：NH4Cl 1.0g/L、KH2PO4 0.5g/L、Na2HPO4 1.5g/L、MgCl2 0.04g/L、CaCl2 0.05g/L，pH 7.0-7.5，在30℃、150r/min条件下摇床中培养，分别在12、24、36、48h后测定各污染物含量，如图5所示。
由图5可以看出，在12~48h范围内寡养单胞菌对污染物的降解率先不断增大后趋于不变，在24h时，降解率达到峰值，当降解时间继续增加时，降解率没有明显变化。以上结果表明寡养单胞菌对3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺降解高效快速，在24h内已降解99%的污染物。实施例6 寡养单胞菌BG-1菌剂的制备。
利用寡养单胞菌BG-1制备微生物菌剂，按照以下步骤处理：
（1）LB液体培养基的制备：将水1L、胰蛋白胨 10g、酵母提取物 5g和NaCl 10g于容器中共混，摇动容器直至溶质溶解，用3mol/L的NaOH调pH至7.5，得LB液体培养基；
（2）LB固体培养基的制备：于LB液体培养基中加入10g琼脂，得LB固体培养基；
（3）微生物斜面种子的制备：将寡养单胞菌接种在LB固体培养基斜面上，33~35℃培养24h后获得种子斜面；
（4）微生物液体种子的培养：取1环寡养单胞菌斜面种子转接到装有150ml LB液体培养基的三角瓶中，于150r/min，35℃下培养24h，得发酵液；
（5）菌剂的制备：发酵液经4000g离心10min后，倒去上清液，沉淀悬浮于同体积的生理盐水中，制备细胞悬液，即得到微生物菌剂（BG-1菌剂）。
实施例7 菌剂在降解废水上的应用。
本实施例给出了用菌剂处理实际生产污水，特别是芳香胺废水的一种操作方法。
图7为芳香胺废水处理系统的结构示意图，包括依次连接的集水池、调节池、混凝沉淀池、活性炭吸附装置、A/O池、MBR生物池和排放池，其中，所述生物池和MBR生物池分别设置有菌剂投加单元。
下面通过利用该处理系统实现对芳香胺废水的处理。
处理水质取自某芳香胺厂的芳香胺废水收集池，处理量为5L，其中3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺的浓度分别为0.1g/L、0.5g/L、0.8g/L、0.2g/L，用1mol/L的盐酸及氢氧化钠调节废水的 pH 值至7-9，经初步调节后的废水通过自吸泵打入混凝沉淀池进行沉降，得到初沉废水；将初沉废水通入活性炭吸附柱，吸附过滤除去杂质和部分污染物得到一级处理废水；将一级处理废水通入A/O生物池，将BG-1菌剂投加至A/O池，其中BG-1菌剂在芳香胺废水中的体积百分比为5％，将二级处理废水通入MBR生物池，将菌剂投加至MBR池，其中BG-1菌剂在芳香胺废水中的体积百分比为3％，24h后跟踪其降解情况，如图6所示。其中，其中，活性炭吸附柱运行参数：停留时间为60min，吸附柱中活性炭为200kg，重复使用十次以后进行更换；
A/O池运行参数：A池溶解氧2~5mg/L，运行温度 25℃，HRT 24h，O池溶解氧0.1~0.2mg/L mg/L, 运行温度 25℃，HRT 18h；
MBR池运行参数：溶解氧2~5mg/L运行温度 25℃，HRT 48h。
不加菌剂，经活性炭处理、A/O池和MBR池处理后，原污水厂中3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺的降解率均低于20%，由图6可知，投加寡养单胞菌菌剂后，对污水中的3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺的降解率分别达到99.37%、98.48%、98.87%、99.15%。以上实验数据表明， BG-1菌剂在降解实际芳香胺废水中具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一株寡养单胞菌，其分类命名为寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp.），菌株名为BG-1，于2022年8月5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，菌种保藏号为：CGMCC NO.25473。
2.一种菌剂，其特征在于，所述菌剂包含权利要求1所述的寡养单胞菌。
3.权利要求2所述的菌剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备LB液体培养基和LB固体培养基；
S2、将寡养单胞菌接种在LB固体培养基斜面上，进行活化培养，获得斜面种子；
S3、将寡养单胞菌斜面种子转接到装有LB液体培养基的三角瓶中，进行培养，得发酵液；
S4、发酵液经离心后，倒去上清液，沉淀悬浮于生理盐水中，制备细胞悬液，即得菌剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，LB液体培养基的制备方法为：将水、胰蛋白胨、酵母提取物、NaCl于容器中共混，摇动容器直至溶质溶解，调节pH至7.0-7.5，得LB液体培养基；LB固体培养基的制备方法为：在LB液体培养基中加入琼脂，得LB固体培养基。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，培养条件为：温度30~35℃，时间12~36h；步骤S3中，培养条件为：转速150~170r/min，温度30~35℃，时间24~48h。
6.权利要求1所述的寡养单胞菌或权利要求2所述的菌剂在降解芳香胺废水中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述芳香胺废水为含有3,3'-二氯联苯胺、2-甲基-5-硝基苯胺、对氨基苯甲酰胺、2'-甲基乙酰乙酰苯胺中的任意一种或多种芳香胺化合物的废水。
8.根据权利要求6或7所述的应用，其特征在于，在降解的过程中，降解条件为：将权利要求2所述的菌剂按照1~10%(V/V)的投加量投加至芳香胺废水中，芳香胺废水的温度为20~40℃，pH为7.0~9.0。
9.一种降解芳香胺废水的方法其特征在于，包括以下步骤：
（1）调节废水的 pH 值至7-9，混凝沉淀，去除沉淀得到待处理废水；
（2）将待处理废水通入活性炭吸附柱，经吸附过滤后得到一级处理废水；
（3）将一级处理废水通入A/O池，然后将权利要求1所述的寡养单胞菌或权利要求2所述的菌剂投加至A/O池，使待处理废水与其中的菌剂接触反应，得到二级处理废水；
（4） 将二级处理废水通入MBR生物池，然后将权利要求1所述的寡养单胞菌或权利要求2所述的菌剂投加至MBR生物池中，二级处理废水经由MBR生物池中的生物膜接触反应并过滤，合格废水收集排放。
10.一种芳香胺废水处理系统，其特征在于，包括依次连接的集水池、调节池、混凝沉淀池、活性炭吸附装置、A/O池、MBR生物池和排放池，其中，所述生物池和MBR生物池分别设置有用于投加寡养单胞菌CGMCC NO.25473的菌剂投加单元。
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