不同碳源對Delftia tsuruhatensis HT01脫氮性能的影響

金翠萍,向 斯,郭 溪,程 凱*

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不同碳源對HT01脫氮性能的影響

金翠萍1,向 斯2,郭 溪2,程 凱1*

(1.湖北工業大學資源與環境工程學院,河湖生態修復及藻類利用湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430068；2.武漢凱諾金環境生物科技有限公司,湖北 武漢 430068)

以一株異養氨氧化菌HT01為研究對象,比較了以十二烷基硫酸鈉(SDS)、甘蔗糖蜜、丁二酸鈉、乙酸鈉、蔗糖、葡萄糖、果糖或檸檬酸鈉等為唯一碳源時的生長情況及對TOC、NH4+-N、TN的去除率,并通過兩輪中試測試了該菌對皮革污水的處理效果.結果表明:HT01在異養條件下能夠生成NO2--N,并可以在利用SDS(去除率為34%)的同時去除NH4+-N和TN(去除率分別為74%和14%);丁二酸鈉和乙酸鈉分別有利于實現最快的生長速度和最高的TOC去除率(71%),而果糖則有利于實現最高的NH4+-N和TN去除率(分別為98%和29%). HT01能夠在皮革污水中生長,第2輪中試對COD,NH4+-N和TN的去除率分別達到38%,49%和22%.

HT01；十二烷基硫酸鈉；異養氨氧化；皮革污水

傳統生物脫氮技術首先需要在好氧條件下經自養硝化菌將NH4+-N氧化為NO2--N或NO3--N,再于厭缺氧條件下經異養反硝化菌還原生成含氮氣體[1].而異養氨氧化-好氧反硝化菌則突破了上述理論限制,該類微生物可以在異養好氧條件下同時實現氨氧化和反硝化,并同步去除有機物[2-5],因此能夠極大簡化微生物脫氮工藝,具有重要的應用價值.考慮到異養氨化-好氧反硝化菌的異養生長特性,碳源種類對這類微生物的脫氮效果有著顯著影響[6-12].

以十二烷基硫酸鈉(SDS)為代表的陰離子表面活性劑,是工業及生活洗滌劑的核心成分,由于其具有高起泡性及低氧化電位,會通過影響污水處理過程中微生物的活性而降低污水處理效率[13-15],甚至會降低受納水體的溶解氧(DO)量乃至毒害水生生物[13-15].微生物降解SDS具有特異性高、成本低和副作用少的優點,國外雖已報道了多株以假單胞菌為主的SDS降解菌[16-19],但目前國內對于SDS降解菌的報道還非常罕見[20-21],能夠同步去除SDS、NH4+-N與總氮(TN)的菌種更是尚未見諸報道.

戴爾福特菌(sp.)廣泛分布于自然界,在地表水、土壤、污水中均有分布,并具有降解多種環境污染物的能力,有關其去除TN能力的研究較多[22-29],也有零星報道指出部分該屬菌株能夠異養氨氧化[30-31],而對這類菌降解(利用)SDS的能力知之甚少,對不同碳源影響戴爾福特菌異養氨氧化-好氧反硝化能力的研究也較少.為此,本文探索了一株戴爾福特菌對SDS的去除能力,還研究了不同碳源對該菌株脫氮能力的影響并進行了皮革污水處理的中試,為應用戴爾福特菌進行污水處理提供參考.

1 材料與方法

1.1 培養基

基礎培養基:MgSO4×7H2O 0.05g,K2HPO41g, NaCl 2g,FeSO4×7H2O 0.4g,NaHCO31.5g,CaCl2×2H2O 0.5g;微量元素溶液1mL;加純水至1L[32].微量元素溶液:CuSO4×/5H2O 0.075g, ZnSO4×7H2O 0.3g, CoCl2×6H2O 0.375g,MnCl2×2H2O 0.3g,EDTA 0.5g, NaMoO4×2H2O 0.22g, H3BO40.014g;加純水至1L.SDS碳源培養基:在基礎培養基中添加0.4g/L NH4Cl作為唯一氮源,再添加2g/L SDS作為唯一碳源.常規碳源培養基:在基礎培養基中添加0.4g/L NH4Cl作為唯一氮源,再分別添加2g/L蔗糖、葡萄糖、果糖、檸檬酸鈉、丁二酸鈉、甘蔗糖蜜或乙酸鈉作為唯一碳源.

1.2 接種菌液的制備

HT01[33]分離于垃圾滲濾液污水處理系統.為制備接種液,先將該菌種接種于添加了0.4g/L NH4Cl和2g/L乙酸鈉的基礎培養基中,于27℃,190r/min振蕩培養至對數期,再將菌懸液于6000r/min離心10min,棄上清液,用基礎培養基離心洗滌3次,并用基礎培養基重懸菌體,于27℃, 190r/min振蕩饑餓處理1d后,作為接種菌液.

1.3 不同碳源對生長及脫氮性能的影響

按5%的接種比例,將接種菌液分別接種至120mL不同碳源的培養基中,以此作為實驗組,相應的不接種菌液的培養基作為對照組.實驗組與對照組均設置3個平行,并置于27℃,190r/min振蕩培養箱中培養.

每隔8h取樣,測量菌懸液的吸光值OD600(以指示其生長情況)、TN和TOC.另將菌懸液6000r/min離心10min,取上清液用0.22μm針頭過濾器過濾,測定透過液中NH4+-N、NO2--N及NO3--N含量.

NH4+-N含量采用水楊酸法[34], NO2--N和NO3--N的測量分別采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法和硫酸肼還原法[34]. TN和TOC含量采用德國Elementar vario TOC/TN測定儀完成.

1.4 菌株SDS降解轉錄激活酶基因系統發育樹

根據HT01的全基因組測序結果,發現該菌具有SDS降解轉錄激活酶基因[35],將測序結果在NCBI中進行Blastn序列比對[https:// blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi],并采用Neighbor- Joining法(Mega 6)構建了該基因的系統發育樹.

1.5 菌株處理皮革污水中試

采用的皮革污水由于鹽度較高(約20000mg/L)而不適于自養氨氧化菌的生長,實驗期間污水的COD與NH4+-N含量的波動范圍分別為4350~ 5355, 687~768mg/L.實驗分2輪進行,第1輪實驗中,實驗組為向1t污水中接種3.5L以乙酸鈉為唯一碳源的對數期HT01菌液,同時向污水中加入1.4kg乙酸鈉,并在通氣培養至第3,4, 5,6d時各補加1.4kg乙酸鈉,繼續培養至第7d.對照組為未加入菌液(但按照與實驗組相同的劑量補加了乙酸鈉),空白組則既不加菌液,也不加乙酸鈉.試驗期間的水溫為21~23℃,DO為3.22~5.59mg/L,pH值為7.8~8.0.

為模擬污水序批處理的效果,又開展了第2輪試驗:取第2輪培養至第7d的實驗組污水0.5t,加入0.5t未經處理的污水,同時加入1.4kg乙酸鈉,并在培養至第2d時補加乙酸鈉1.4kg,繼續培養至第3d.對照組與空白組的設置及試驗過程中的水溫、DO及pH值的變化均與第1輪試驗相同.

1.6 統計分析

采用Origin7.5作圖,圖中的誤差線均用SD表示.統計分析采用SPSS17.0,顯著水平以< 0.05計.

2 結果分析

2.1 以SDS為唯一碳源時的生長與脫氮性能

圖1 SDS為碳源的培養基中的生長曲線

HT01能夠在以SDS為唯一碳源的培養基中生長,其對數生長期從24h開始,至84h達到穩定期時(圖1),其最大OD600接近0.3,TOC去除率達到33.94%,說明細菌具有利用SDS生長并去除SDS的能力.與此同時,NH4+-N和TN的去除率分別達到了73.73%和13.95%,說明該菌能夠同時利用SDS并高效脫氮和去除TN.

HT01菌株的SDS降解轉錄激活酶基因的系統發育樹如圖2所示.可見HT01菌株的SDS降解轉錄激活酶基因與其它的同類基因的同源性較高,而與其它菌種的同類基因的差異較大.

圖2 HT01菌株SDS降解轉錄激活酶基因的系統發育樹

2.2 菌株在常規碳源中的生長及碳源利用情況

HT01在7種常規碳源中的生長量(圖3)均明顯高于以SDS為唯一碳源時生長量,但該菌株在這7種常規碳源中的生長曲線仍明顯不同:以丁二酸鈉為唯一碳源時,接種8h后即表現出了明顯生長,16h時就達到穩定期,OD600最大為0.81;而以乙酸鈉或檸檬酸鈉為唯一碳源時,8h起進入對數期,至24h進入穩定期,OD600最大值分別為0.89, 0.75;當以蔗糖、果糖和甘蔗糖蜜為唯一碳源時,雖然晚至24h時才進入對數期,但卻具有最大的生物量,其OD600最大分別能達到1.21,1.08和1.13;而當以葡萄糖為唯一碳源時,延遲期長至48h,最大生物量時的OD600也達到了0.95.

HT01在利用7種常規碳源生長的過程中,培養基中的TOC濃度也明顯下降(圖4),至穩定期時,以蔗糖、葡萄糖、果糖、檸檬酸鈉、丁二酸鈉、甘蔗糖蜜或乙酸鈉為唯一碳源時的TOC去除率分別為54.87%(64h),59.77%(80h),62.49%(64h), 47.29% (32h),26.49%(24h),38.34%(48h),70.92%(32h).特別是,以乙酸鈉為唯一碳源時的TOC去除率顯著高于其它碳源(<0.05),說明碳源種類明顯影響了TOC去除率.此外,以蔗糖、果糖或甘蔗糖蜜為唯一碳源時的TOC去除率也較高,此現象與這3種碳源條件下該菌的生物量(以OD600計)較大的結果是吻合的.

圖3 不同常規碳源中的生長曲線

圖4 不同常規碳源條件下的TOC去除率

此外,為了驗證該菌的異養氨氧化性能,選取以乙酸鈉為唯一碳源時的組別,測量了24h時(生物量峰值)的NO3--N與NO2--N含量.結果發現, NO3--N含量無法檢出,而NO2--N含量則達到(64±33)μg/L,考慮到培養基中的本底NO2--N含量低于3μg/L(N-(1-萘基)-乙二胺光度法檢測下限),說明HT01能夠異養氨氧化生成NO2--N.

2.3 菌株在常規碳源中的脫氮性能

隨著細菌的生長,HT01也表現出明顯的脫氨和脫總氮性能.由圖5可見,當達到穩定期時:以果糖為唯一碳源時的NH4+-N去除率最高,達到了97.79%,相應的TN去除率也達到了28.58%;以葡萄糖為碳源時, NH4+-N去除率也高達89.62%,但TN去除率僅為10.19%;以蔗糖為碳源時, NH4+- N和TN的去除率分別為75.25%和22.19%;以乙酸鈉為唯一碳源時的NH4+-N去除率雖然高達70%,但其TN去除率卻僅為約10%;以檸檬酸鈉、丁二酸鈉或甘蔗糖蜜為唯一碳源時,NH4+-N去除率約為60%,且以丁二酸鈉為碳源時的TN去除率較高達到28.54%,而在以檸檬酸鈉為碳源時則完全不能去除TN.進一步統計分析表明,NH4+-N的去除率與測量時的培養時長顯著正相關(<0.05,2=0.67),而與對數期時長無顯著相關性(>0.05),說明培養時長是影響NH4+-N去除率的主要因素.而TN去除率與培養時長及對數期時長等均無顯著相關(>0.05),說明該菌的反硝化脫氮性能與生長的關系較弱.

圖5 不同常規碳源條件下的NH4+-N和TN去除率

2.4 皮革污水處理結果

由圖6可見,接種HT01并補充碳源(乙酸鈉)后,污水中NH4+-N和COD的去除率均顯著高于對照組與空白組(<0.05),至第1輪試驗結束時(第7d),試驗組的NH4+-N和COD去除率分別達到47%和79%,而對照組的去除率則分別為28%和49%,空白組的去除率更是僅為15%和36%,說明HT01明顯促進了皮革污水中NH4+-N與COD的同步去除.

圖6 第1輪中試的NH4+-N和COD去除率

與第1輪試驗的結果類似,第2輪試驗中(圖7),試驗組的NH4+-N和COD的去除率也顯著高于對照組與空白組(<0.05).

圖7 第2輪中試的NH4+-N和COD去除率

對比2輪污水處理中試,第2輪中試至第3d時,試驗組的NH4+-N去除率即達到了49%,甚至高于第1輪中試時第7d時的NH4+-N去除率(47%).由于第1輪中試時HT01的接種量僅為0.35%,而第2輪中試的換水率為50%,說明HT01能夠在第1輪的試驗中持續生長,并積累了更多的生物量,所以在第2輪試驗中才表現出了更快的脫氮速度.此外,2輪中試終點時,試驗組的TN去除率(平均為22%)也明顯高于對照組和空白組(平均為11%),也說明該菌在本次中試中能夠去除皮革污水中的部分TN.

3 討論

目前國內關于SDS降解菌的分離報道較少[20-21],國外雖分離得到了較多的SDS降解菌[36],但這些菌多屬于sp.和sp.,僅Yilmaz等[14]從地表水體中篩選出一株具有降解SDS能力的,但目前尚未有降解去除SDS的報道.SDS降解轉錄激活酶基因的進化分析表明,盡管Genbank中的部分菌的某些基因與本菌的SDS降解轉錄激活酶基因同源性極高,但這些基因卻并未被注釋為SDS降解轉錄激活酶基因,這些菌的SDS降解活性也均未見諸報道,說明菌的SDS降解活性很可能被低估了.考慮到多來源于污水[24-28],具有較強的耐污性能,因此其在污水處理中的應用潛力也更大.此外,Paulo等[13]分離出的2株sp.能夠以NO3--N為唯一氮源,實現同步去除SDS和反硝化,而本研究則首次發現HT01能夠以NH4+-N為唯一氮源,實現同步去除SDS、NH4+-N和TN,為污水中SDS的降解及脫氮提供了新的思路.

有關異養氨氧化性能的研究報道較少,不同碳源對去除NH4+-N和TN影響的研究屈指可數,僅劉晶晶等[22]比較了檸檬酸三鈉、乙酸鈉和琥珀酸鈉對好氧反硝化性能的影響,發現檸檬酸三鈉為最優的反硝化碳源.此外,王歡等[25,27]研究發現sp. WXZ-1以檸檬酸三鈉為碳源時的NH4+-N去除率為55%,略低于HT01在檸檬酸鈉中的NH4+-N去除率(59.43%).匡燕[31]等定性描述了對葡萄糖、碳源、蔗糖等碳源有利用能力,但沒有細致研究菌株在不同碳源中的生長特點.Li等[28]僅以丁二酸鈉為碳源對HS-043開展了好氧反硝化性能研究.崔文娟等[37]僅以酵母粉作為sp. NS2和NS5硝化過程中的碳源,最大生物量OD600均在0.45左右,明顯低于本研究中HT01在各種常規碳源中的生物量.此外,類似于[31]和WXZ-15[25]的異養氨氧化過程,HT01也能在以乙酸鈉為碳源時積累少量的NO2--N,既證明了HT01具有異養氨氧化能力,也說明該菌異養氨氧化的產物可以被好氧反硝化所迅速消耗[38].

本研究發現,HT01能利用多種形式的碳源,但不同碳源對該菌的生長及脫氮性能影響較大,綜合考慮到實際污水處理的成本與耗時,如僅以去除NH4+-N為目標,應選擇乙酸鈉作為碳源,但如以去除TN為目標,則應以蔗糖(或果糖)作為碳源.因此在本次處理皮革污水的中試研究中,以NH4+-N為主要目標污染物,補加乙酸鈉作為碳源,不但能夠有效去除NH4+-N,而且(通過第2輪序批式中試)證明該菌能夠適應高鹽度的皮革污水并能夠積累生物量,說明在實際應用該菌種處理皮革污水時,初期只需少量接種,即可在皮革污水中自行增殖,再通過污泥回流等方式即可使生物量不斷積累,從而達到增效的目的.此外,HT01分離于垃圾滲瀝液,考慮到垃圾滲瀝液具有高鹽、高氨、高COD的特征[39-41]與皮革污水[42-44]高度相似,很可能是該菌能夠適應并有效處理皮革污水的主要原因.

4 結論

4.1HT01能夠通過異養氨氧化積累少量的NO2--N,還能夠同步去除SDS、NH4+-N及TN.

4.2 碳源種類明顯影響HT01的生長與脫氮能力,以丁二酸鈉為碳源時的生長速度最快,以乙酸鈉為碳源時的TOC去除率最高,以果糖為碳源時的NH4+-N和TN去除率最高.

4.3HT01能夠適應高鹽皮革污水,并有效去除其COD、NH4+-N及TN.

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The influence of different carbon sources on the nitrogen removal characters of aHT01.

JIN Cui-ping1, XIANG Si2, GUO Xi2, CHENG Kai1*

(1.Hubei Key Laboratory of Ecological Restoration for River-Lakes and Algal Utilization, College of Resources and Environmental Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China；2.Wu Han Cyano-King Enviromental Technology, Wuhan 430068, China)., 2019,39(4)：1478~1484

The growth and the removal ef?ciency of TOC, NH4+-N and TN of a heterotrophic ammonia oxidizerHT01 were studied when SDS, cane molasses, sodium succinate, sodium acetate, sucrose, glucose, fructose or sodium citrate was used as sole carbon source. Furthermore, two rounds of the pilot-scale test were performed using leather sewage. The results indicated that NO2--N was produced in heterotrophic condition by HT01 and NH4+-N, TN and SDS were removed simultaneously at the removal ef?ciency of 74%, 14% and 34%, respectively. Moreover, the highest growth rate and the highest removal ef?ciency of TOC (71%) were observed when sodium succinate and sodium was used as sole carbon source, respectively. While the highest removal ef?ciency of NH4+-N (98%) and TN (29%) were observed when fructose was used as sole carbon source. The growth of HT01 was observed in leather sewage, and the removal efficiency of COD, NH4+-N and TN was 38%, 49% and 22%, respectively, in the second round of pilot-scale test.

HT01；sodium dodecyl sulfate(SDS)；heterotrophic ammonia oxidation；leather sewage

X172

A

1000-6923(2019)04-1478-07

2018-09-13

國家科技重大專項(2017ZX07602002)

*責任作者, 教授, chengkaicn@163.com

金翠萍(1992-),女,山東濱州人,湖北工業大學碩士研究生,主要從事污水微生物法脫氮研究.發表論文1篇.