CN107164276B - 一株耐受锌离子毒性的铜绿假单胞菌及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一株耐受锌离子毒性的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)及其应用。本发明提供了一株具有锌离子耐受能力的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),其保藏号为CGMCC No.14063。当污水中锌离子浓度在0~100mg/L范围内,该菌株能够以硝酸盐氮为唯一氮源,在好氧条件下,对硝酸盐氮去除率可达100%,总氮的去除率也高达100%。本发明具有操作便捷,脱氮效率高等优点,对优化污水生物处理***和减弱锌离子对污水脱氮***的影响具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于污水生物处理领域,具体涉及一种在好氧条件下能够耐受锌离子毒性且 能够将水体中的硝酸盐氮同步脱除的铜绿假单胞菌及其在污水处理中的应用。
背景技术
随着我国城市化、工业化的加速,工业生产的不断发展,大量的工业废水产生,对人类生活和健康产生了极大的威胁。由于我国的工业废水处理能力尚不能跟上工业用水的规模,导致仍然有部分工业废水未经处理直接排入城镇污水管网。锌离子作为一种重 要的工业材料,被广泛应用于化工、冶金、电镀、制革和涂料行业,这些行业会产生大 量的含锌废水,这些废水也不可避免的进入城镇污水处理厂。研究表明,Zn(II)浓度超 过10mg/L会对传统反硝化作用中N2O的还原过程、反硝化速率和反硝化微生物活性产 生明显的抑制,同时,改变微生物群落结构,进而影响城镇污水处理***的出水质量。
近年来,好氧反硝化作用(即在有氧条件下将硝酸盐氮还原为含氮气体的过程)的发现为单一好氧反应器中实现同步硝化反硝化的提供了理论基础。自从第一株好氧反硝化菌T.pantotropha被成功分离后,近年来更多的高效好氧反硝化菌株得到分离,并被 应用于实际污水处理***中。好氧反硝化作用作为一种新型生物脱氮技术,因其工艺简 单、脱氮效果好、不需补加酸碱等优势近年来得到了快速发展。
针对含锌废水进入生活污水,Zn(II)和硝酸盐氮共存的问题,如何有效地避免锌离 子对硝酸盐氮去除的影响成为人们关注的焦点,因此,发掘具有耐受锌离子毒性的好氧反硝化细菌,并将其应用于污水处理中,将会有效削减锌离子对污水生物脱氮过程的潜 在风险,为保障城镇污水处理***的正常运行具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐受锌离子毒性的高效好氧脱氮菌株,通过该菌株强化 污水处理***的生物脱氮效果,以削减高浓度锌离子的存在对污水处理生物脱氮过程的 影响。
本发明所提供的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)是一株具有在单一好氧 环境中实现硝酸盐氮去除能力的好氧反硝化细菌。
本发明通过下述技术方案予以实现:
本发明提供的具有锌离子耐受能力的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),于2017年4月24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(简称 CGMCC),地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所,其保藏 号为CGMCCNo.14063。
如上所述的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),其特征在于:在不同锌离子 浓度水平条件下,菌株Pseudomonas aeruginosa依然能够保持完整的细胞结构,细胞膜不被破坏。
如以上所述的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),其特征在于:该菌株能够 在高浓度锌离子条件下以硝酸盐氮为氮源,以有机物为碳源进行好氧反硝化作用,从而将硝酸盐氮去除。
如以上所述的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)在污水处理中的应用,其特征在于:在含锌污水中加入铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),并且添加适量 的碳源进行曝气,即可实现污水中硝酸盐氮的去除。
以上所述的方法,其特征在于:控制所述含锌污水中的温度为30℃,pH值为7.5,溶解氧为6mg/L,初始C/N比为4。
以上所述的方法,其特征在于:污水中锌离子浓度范围为0~100mg/L时,硝酸盐氮的去除率可达100%,总氮的去除率也可达100%。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)能够在高浓度锌离子条件下,以硝酸盐氮为氮源,以有机物为碳源进行好氧反硝化作用,实现硝酸盐氮的高效去 除;解决了传统废水处理中生物脱氮需要采取缺氧反硝化、好氧硝化分段处理的问题; 另外,简化了工艺流程,节省了设备和投资的成本,因此,具有巨大的经济效益和环保 效益;
(2)将该菌株接种到含锌污水的生物处理中,在0~150mg/L Zn(II)存在条件下,优选的,在0~100mg/L Zn(II)存在条件下,硝酸盐氮的去除率可达100%,说明菌株具 有较强的耐受锌离子毒性和好氧反硝化能力。这种特性使得该菌株在城镇污水处理*** 的实用性大大增强。
附图说明
图1为铜绿假单胞菌在锌离子存在条件下的扫描电镜图像。
图2为铜绿假单胞菌在10mg/L Zn(II)存在条件下的好氧反硝化特性。
图3为铜绿假单胞菌在50mg/L Zn(II)存在条件下的好氧反硝化特性。
图4为铜绿假单胞菌在100mg/L Zn(II)存在条件下的好氧反硝化特性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
下述实施例中,如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中,所述百分含量如无特殊说明,均为质量百分含量。
实施例1.利用扫描电镜观察铜绿假单胞菌在锌离子存在时的表观形态
本实验所用高效好氧反硝化菌株为铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),其分 离自垃圾填埋场渗滤液处理***。
将铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)接种于1L的LB培养基中(每升含NaCl5g,胰蛋白胨10g,酵母提取物5g),防止杂菌的侵入及保持菌体的生长活力,进行 富集培养。将培养得到的菌液离心,用0.5%的NaCl洗涤三次,制成光密度OD600为 1-2的菌悬液。然后再将菌悬液按10%的接种量分别接种于含有0、10、50、100mg/L Zn(II) 的LB培养基中,8h后取样在8000rpm和4℃条件下离心5min去除上清液,并用PBS (磷酸盐缓冲液)清洗两次。用2.5%戊二醛固定1h,乙醇梯度洗脱后分散在无水乙醇 中,取少量滴在硅片上晾干,在扫描电镜(SEM)下观察细胞形态。
结果如图1所示,当锌离子浓度范围为0~100mg/L时,菌株Pseudomonasaeruginosa 呈现完整和光滑的表面,说明菌株细胞形态对锌离子具有较强的耐受性。
实施例2.铜绿假单胞菌在10mg/L Zn(II)存在条件下的好氧反硝化特性
反硝化性能测试培养基(BM)配方为每升水中:8.45g CH3COONa,0.63g NH4Cl,0.61g NaNO3,1.76g K2HPO4·3H2O,0.20g MgSO4·7H2O,0.02g CaCl2,0.005g FeSO4·7H2O,0.1mL微量元素溶液。将培养基pH值调至7.5,在121℃灭菌30min。
将铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)接种于含有10mg/L Zn(II)的BM培养基中,在30℃和150rpm条件下进行震荡培养,每隔5h用具阀进样针分别抽取100μL 顶空气体用于测定N2O,用无菌注射器抽取2mL气体注入到2L纯氦气袋中用于测定 NO。与此同时,用无菌注射器抽取2mL菌悬液,菌液在4℃下8000rpm离心5min, 取上清液用于分析氨氮,硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度。
结果如图2所示,100mg/L硝酸盐氮在接种后立即被菌株利用,并在10h内被完 全消耗,硝酸盐氮的平均去除速率为10.0mg/L/h。随着硝酸盐氮的还原,亚硝酸盐氮快 速积累,并在5h达到最高值29.5mg/L,然后在10h被还原。N2O也逐渐积累,在10h 达到最高值80.2mg/L,然后在35h被全部还原。必须指出,反硝化过程的中间产物NO 积累量的最高值为1.2μg/L,只占硝酸盐氮去除量的0.0012%,说明菌株在10mg/L Zn(II) 条件下具有高效好氧反硝化的能力。
实施例3.铜绿假单胞菌在50mg/L Zn(II)存在条件下的好氧反硝化特性
将铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)接种于含有50mg/L Zn(II)的BM培养基中,测试其好氧反硝化性能。结果如图3所示,100mg/L硝酸盐氮在接种后立即被菌 株利用,并在15h内被完全消耗,硝酸盐氮的平均去除速率为6.67mg/L/h。随着硝酸 盐氮的还原,亚硝酸盐氮逐渐积累,并在10h达到最高值35.5mg/L,然后在20h被还 原。N2O也逐渐积累,在20h达到最高值84.4mg/L,然后在45h被全部还原。必须指 出,此时反硝化过程的中间产物NO积累量的最高值为3.2μg/L,只占硝酸盐氮去除量 的0.0032%。由此可以看出,菌株在50mg/L Zn(II)条件下依然具有高效好氧反硝化的 能力。
实施例4.铜绿假单胞菌在100mg/L Zn(II)存在条件下的好氧反硝化特性
将铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)接种于含有100mg/L Zn(II)的BM培养 基中,测试其好氧反硝化性能。结果如图4所示,100mg/L硝酸盐氮在接种后立即被菌 株利用,并在20h内被完全消耗,硝酸盐氮的平均去除速率为5.0mg/L/h。随着硝酸盐 氮的还原,亚硝酸盐氮逐渐积累,并在15h达到最高值40.2mg/L,然后在30h被还原。 同时,N2O也逐渐积累,在25h达到最高值89.5mg/L,然后在55h被全部还原。必须 指出,此时反硝化过程的中间产物NO积累量的最高值为6.3μg/L,只占硝酸盐氮去除 量的0.0063%。由此可以看出,菌株在100mg/L Zn(II)条件下依然具有高效好氧反硝化 的能力。
实施例5.铜绿假单胞菌在150mg/L Zn(II)存在条件下的好氧反硝化特性
将铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)接种于含有150mg/L Zn(II)的BM培养 基中,测试其好氧反硝化性能。该菌株的生长受到明显的抑制,且硝酸盐氮几乎不被去除,由此可以看出,150mg/L Zn(II)是该菌株的上限浓度,菌株在该条件下不具备好氧 反硝化的能力。但是从上述实施例1-4中可以看出,将该菌株接种到含锌污水的生物处 理中,在0~100mg/L Zn(II)存在条件下,硝酸盐氮的去除率可达100%,说明菌株具有 较强的耐受锌离子毒性和好氧反硝化能力(见表1)。
表1 铜绿假单胞菌在不同浓度Zn(II)存在条件下的脱氮特性
Zn(II)(mg/L) | 30h硝酸盐氮去除率(%) | 30h总氮去除率(%) |
10 | 100% | 100% |
50 | 100% | 100% |
100 | 100% | 100% |
实施例6.铜绿假单胞菌在含锌废水中的应用
将铜绿假单胞菌投加入活性污泥***处理含锌废水,连续曝气保持体系溶解氧为6 mg/L,废水水质如下:pH为7.5,硝酸盐氮含量100mg/L,Zn(II)100mg/L。结果如表 2所示,在普通活性污泥***内,脱氮效果在Zn(II)存在条件下受到了较大的影响。然 而,经铜绿假单胞菌强化后的***,24h的硝酸盐氮去除率为70.7%,总氮去除率为 63.4%;36h的硝酸盐氮去除率为94.8%,总氮去除率为92.4%。
表2.铜绿假单胞菌应用于活性污泥体系中的生物脱氮结果
由此可见,针对含锌废水进入生活污水,Zn(II)和硝酸盐氮共存的问题,本发明所涉及到的菌株可以有效的避免锌离子对硝酸盐氮去除的影响,并可以广泛的应用于污水处理中,会有效削减锌离子对污水生物脱氮过程的潜在风险,为保障城镇污水处理*** 的正常运行具有重要意义。
应当说明的是,以上实施例只是为了对本发明作进一步详细的描述,不是用来对本 发明进行限定的,在不脱离本发明的构思和精神的范围内,本领域普通技术人员,可以进行各种改进或变化,仍然属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一株耐受锌离子毒性的铜绿假单胞菌的应用,其特征在于:通过一株好氧反硝化细菌铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)强化污水处理***的生物脱氮效果,可削减过量锌离子的存在对污水处理生物脱氮过程的影响;该菌株的保藏号为CGMCC No.14063,对不同浓度水平的锌离子具有较好的耐受能力。
2.根据权利要求1所述的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的应用,其特征在于:该菌株能够在不同锌离子浓度水平下以硝酸盐氮为氮源,以有机物为碳源进行好氧反硝化作用,从而将硝酸盐氮去除;在含锌污水中加入铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa),并且添加适量碳源进行曝气,即可实现污水中硝酸盐氮的去除;控制所述含锌污水中的温度为30℃;控制所述含锌污水中的pH值为7.5;控制所述含锌污水中的溶解氧为6mg/L;控制所述含锌污水中的初始C/N比为4;污水所含的锌离子浓度范围为0~100mg/L,在好氧环境下硝酸盐氮的去除率可达100%,总氮的去除率也可达100%。
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