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        循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中好氧反硝化細菌的分離和應(yīng)用?

        2018-06-20 01:32:40宋協(xié)法黃志濤董登攀江玉立
        關(guān)鍵詞:出水口硝酸鹽亞硝酸鹽

        陳 釗, 宋協(xié)法, 黃志濤, 李 健, 董登攀, 任 義, 江玉立

        (1.中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,山東 青島266003;2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所, 山東 青島 266071)

        脫氮技術(shù)是水質(zhì)凈化、污水處理的重要手段,其中生物脫氮技術(shù)因不需要后續(xù)處理、無副產(chǎn)物產(chǎn)生而成為最經(jīng)濟的脫氮方法[13]。生物脫氮技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用,其在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中對于水質(zhì)的控制發(fā)揮著重要作用,其中氨氮和亞硝酸鹽因?qū)︷B(yǎng)殖生物具有毒性而受到嚴(yán)格控制,一般是利用生物濾池中硝化細菌的硝化作用將氨氮和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為低毒性的硝酸鹽,但硝酸鹽的持續(xù)積累最終也會導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰,所以將硝酸鹽通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮,完成氮元素由水域向大氣的轉(zhuǎn)移仍然是必要的過程。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)需要高溶氧以確保其高密度養(yǎng)殖的需求,而傳統(tǒng)的反硝化過程是在厭氧的環(huán)境下進行的[1],這與循環(huán)水養(yǎng)殖的要求相矛盾,需要額外增加水處理環(huán)節(jié)以實現(xiàn)厭氧反硝化。厭氧反硝化會增加養(yǎng)殖成本、限制循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的生產(chǎn),所以好氧反硝化的發(fā)現(xiàn)從根本上解決了這一矛盾。針對循環(huán)水養(yǎng)殖的特點開展好氧反硝化的相關(guān)研究,對于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的脫氮、維持良好的水質(zhì)狀態(tài)具有重要意義。

        生物濾池具有十分復(fù)雜的生態(tài)結(jié)構(gòu),在實現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)脫氮、控制養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)方面起著至關(guān)重要的作用。本研究嘗試從循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的生物濾池內(nèi)分離好氧反硝化細菌,開展相關(guān)研究,并在此基礎(chǔ)上進行好氧反硝化反應(yīng)器的應(yīng)用研究,以期為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的脫氮技術(shù)工藝提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 細菌分離

        1.1.1 樣品來源 萊州明波公司珍珠龍膽(♀Epinephelusfuscoguttatus×♂Epinepheluslanceolatu)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的生物濾池。

        1.1.2 培養(yǎng)基及試劑 反硝化富集培養(yǎng)基[14]:牛肉膏3.0 g,蛋白胨5.0 g,KNO31.0 g,人工海水(30 ‰的NaCl溶液)1 000 mL,pH≈7.4。

        溴百里酚藍(BTB)分離培養(yǎng)基[15]:KNO31.0 g,C6H5Na3O2·2H2O 1.0 g,KH2PO41.0 g,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.05 g,CaCl20.2 g,MgSO4·7H2O 1.0 g,溴百里酚藍(1 %溶于酒精)1 mL,瓊脂 20.0 g,人工海水1 000 mL,pH=7.2。

        活化培養(yǎng)基:KNO31.0 g,C6H5Na3O2·2H2O 1.0 g,KH2PO41.0 g,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.05 g,CaCl20.2 g,MgSO4·7H2O 1.0 g,人工海水1 000 mL,pH≈7.4。

        反硝化性能測定培養(yǎng)基(DM):C6H5Na3O2·2H2O 1.31 g,CH3COONa 1.10 g,KNO30.361 g,MgSO4·7H2O 0.2 g,KH2PO41.0 g,K2HPO45.0 g,NaCl 0.5 g,微量元素溶液1 mL,人工海水999 mL,pH≈7.4。

        微量元素溶液[16]:EDTA 50.0 g,ZnSO42.2 g,CaCl25.5 g,MnCl2·4H2O 5.06 g,F(xiàn)eSO4·7H2O 5.0 g,(NH4)6Mo7O2·4H2O 1.1 g,CuSO4·5H2O 1.57 g,CoCl2·6H2O 1.61 g,去離子水1 L,pH= 7.0。

        各培養(yǎng)基用前都在121 ℃條件下滅菌20 min。

        1.1.3 細菌富集 將從生物濾池中獲取的濾料在無菌環(huán)境下剪碎后放入裝有90 mL無菌人工海水的三角瓶中,在搖床200 r/min條件下震蕩3 h。隨后取上清液10 mL接種到90 mL富集培養(yǎng)基中,并于30 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min條件下培養(yǎng),每隔12 h分別用二苯胺試劑和格里斯試劑定性檢驗硝酸鹽和亞硝酸鹽含量,當(dāng)硝酸鹽明顯降低且有亞硝酸鹽產(chǎn)生時富集下一代。如此重復(fù)富集3次獲得四代富集培養(yǎng)液。

        1.1.4 細菌分離純化及鑒定 用無菌人工海水將四代富集培養(yǎng)液稀釋成10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7和10-88個梯度,分別移取0.1 mL稀釋液在BTB平板上稀釋涂布,每個梯度做2個平行,之后在30 ℃恒溫箱中培養(yǎng)2~3 d,待菌落長出后,選取變藍的平板并挑取帶藍色暈圈的單菌落再次劃線(每代皆做2個平行),如此純化3次獲得四代純化菌落。將菌落一致、生長良好的平板上的菌株接種到斜面培養(yǎng)基上,4 ℃保藏。

        提取菌株DNA進行16S rDNA序列分析,將測序結(jié)果與Genbank數(shù)據(jù)庫進行Blast分析確定菌株種類。

        1.2 反硝化性能測定

        用接種環(huán)從斜面培養(yǎng)基上刮取適量細菌接種到裝有100 mL活化培養(yǎng)基的三角瓶內(nèi),30 ℃、180 r/min條件下活化2天。移取2 mL活化培養(yǎng)液接種到100 mL反硝化測定培養(yǎng)基中,30 ℃、180 r/min條件下培養(yǎng),分別測定其48 h后的硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮的濃度變化。

        1.3 反硝化反應(yīng)器的運行與控制

        1.3.1 實驗裝置 如圖1所示,人工污水通過蠕動泵以恒定流速(12.22 mL/min)由反應(yīng)器底部入水口輸送進反應(yīng)器,然后從反應(yīng)器上部出水口流出,進入廢液缸,不再利用。反應(yīng)器內(nèi)填充190 g K1濾料,濾料為直徑1 cm、高1 cm的內(nèi)十字圓筒結(jié)構(gòu),外壁附有縱向突起條帶;濾料密度約為0.96 g/cm3(堆積密度150 kg/m3),比表面積約850 m2/m3。反應(yīng)器有效水容積為2.2 L,水力停留時間(HRT)為3 h。反應(yīng)器浸入配有加熱棒的水槽中施行水浴控溫(水槽內(nèi)持續(xù)充氣攪拌以實現(xiàn)均勻加熱),溫度控制在(25+1)℃;反應(yīng)器外壁貼有黑色壁紙以避光;24 h充氣。

        圖1 實驗裝置圖Fig. 1 The figure of experimental apparatus

        1.3.3 接種 將分離、篩選的菌株分別在25 ℃、180 r/min條件下單獨活化2天。移取每種菌的活化培養(yǎng)液(約3×1010CFU/mL)10 mL到裝有2.2 L人工污水的反硝化反應(yīng)器中混合接種,24 h充氣,蠕動泵不啟動,穩(wěn)定2天。

        1.3.4 水質(zhì)監(jiān)測 在接種后的48 h中,每隔12 h對反應(yīng)器內(nèi)的水質(zhì)進行取樣分析,檢測硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、總氮的濃度變化。接種2天后開啟蠕動泵,每天從反應(yīng)器的進出水口取樣分析,檢測上述4個指標(biāo)的變化,直至出水口水質(zhì)達到穩(wěn)定。

        1.4 水質(zhì)分析方法

        氨氮檢測方法為次溴酸鹽氧化分光光度法,亞硝酸鹽的檢測方法為N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,硝酸鹽檢測方法為鋅鎘還原法,總氮檢測方法為過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 細菌分離

        細菌富集階段,經(jīng)二苯胺和格里斯試劑定性檢測,12 h后即有亞硝酸鹽的產(chǎn)生,24 h后硝酸鹽的含量明顯降低。48 h后進行下一代富集。涂布平板后,10-3、10-4和10-53個稀釋度平板上的菌落有利于單菌落的挑取,選取此3個稀釋度平板進行下一代的純化;重復(fù)劃線,獲得四代純化菌株。最終分離出8株細菌,分別命名為Z1~Z8。

        結(jié)合細菌反硝化性能測定結(jié)果,選擇Z1、Z8 2株脫氮效果較好的細菌進行16S rDNA鑒定,結(jié)果顯示Z1、Z8分別與弧菌屬(Vibrio)的V.neocaledonicus和V.azureus相似度最高,同源性均達99%以上(Genbank序列登錄號分別為KX037098、KX037099)。

        2.2 細菌反硝化性能測定

        圖2顯示,各菌株硝酸鹽去除率都較高,但都存在一定的亞硝酸鹽和氨氮積累。Z1、Z2、Z3、Z4、Z8菌株亞硝酸鹽、氨氮積累較少,硝酸鹽去除率90%左右、無機氮去除率87 %左右,效果良好;Z5、Z6、Z7亞硝酸鹽、氨氮積累比較嚴(yán)重,且硝酸鹽和無機氮去除率相對較低。

        圖2 48 h反硝化性能測定結(jié)果Fig. 2 The results of 48h denitrification test

        2.3 反硝化反應(yīng)器的脫氮效果

        2.3.1 接種后48 h反應(yīng)器內(nèi)水質(zhì)變化 將分離、篩選菌株Z1、Z8各自活化后混合接種入反應(yīng)器。反應(yīng)器接種后保持24 h充氣,每隔12 h對反應(yīng)器內(nèi)污水進行取樣分析,檢測硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和總氮的變化,結(jié)果如圖3所示,相應(yīng)硝酸鹽和總氮的去除率見圖4。

        圖3 反應(yīng)器接種后48 h內(nèi)水質(zhì)變化Fig. 3 The changes of water quality in the bioreactor during the 48 h after inoculation

        圖4 反應(yīng)器接種后48 h內(nèi)硝酸鹽和總氮去除率變化 Fig. 4 The changes of nitrate and total nitrogen removal rates in the bioreactor during the 48 h after inoculation

        由圖3和4可知,48 h內(nèi)硝酸鹽的濃度大幅降低,最終去除率為56.26 %,但從誤差線幅度可知,3個反應(yīng)器之間差異較大;總氮去除效果微弱,48 h總氮去除率13.98 %;亞硝酸鹽存在顯著積累現(xiàn)象,且積累速率較快,12 h達到峰值(10.88 mg/L)后開始緩慢降低,并有趨于穩(wěn)定的趨勢;氨氮也存在積累現(xiàn)象,最終濃度達到6.87 mg/L。

        圖5 生物反應(yīng)器進出水口亞硝酸鹽變化Fig. 5 Nitrite concentrations change of inlet and outlet water from the bioreactor

        圖6 生物反應(yīng)器進出水口氨氮變化Fig. 6 Ammonia concentrations change of inlet and outlet water from the bioreactor

        圖7 生物反應(yīng)器進出水口硝酸鹽變化Fig. 7 Nitrate concentrations change of inlet and outlet water from the bioreactor

        圖8 生物反應(yīng)器進出水口總氮變化

        圖9 生物反應(yīng)器對硝酸鹽和總氮的去除率Fig. 9 Nitrate and total nitrogen removal rates of the bioreactor

        系統(tǒng)啟動一天后,亞硝酸鹽積累十分嚴(yán)重,達到37.41 mg/L,說明反硝化過程的的第一階段十分活躍,大量硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽;之后亞硝酸鹽濃度迅速降低,最低濃度為0 mg/L(第14天),在經(jīng)歷2次波動之后,逐漸趨于穩(wěn)定,實驗結(jié)束時亞硝酸鹽濃度為0.18 mg/L。與反應(yīng)器接種后48h相比,系統(tǒng)啟動后氨氮積累情況大幅減弱,第一天氨氮濃度為0.69 mg/L,之后出現(xiàn)多次波動,第7天達到峰值2.75 mg/L,最低濃度為0.04 mg/L(第13天),20 d后逐漸趨于穩(wěn)定,實驗結(jié)束時氨氮濃度為0 mg/L。反應(yīng)器對硝酸鹽的去除效率非常高,系統(tǒng)啟動后第一天去除率即達到79.04 %,此后歷經(jīng)幾次起伏;9天后達到理想狀態(tài),除第18~20天去除率在95 %左右,其它時間硝酸鹽去除率都在98 %以上??偟谙到y(tǒng)啟動初去除效果較弱,第一天去除率只有20.94 %,此后迅速提升,第3天即達到去除率峰值83.17 %,此后歷經(jīng)多次波動,慢慢趨于穩(wěn)定,實驗結(jié)束時總氮去除率為74.40 %??傮w來看,反硝化反應(yīng)器對人工污水的脫氮效果良好,硝酸鹽及總氮去除效果理想,氨氮和亞硝酸鹽積累情況在后期穩(wěn)定后較弱,具有一定的應(yīng)用價值。

        3 討論

        Vibrioneocaledonicus、Vibrioazureus都屬于變形菌門(Proteobacteria)伽馬變形菌綱(r-Proteobacteria)弧菌目(Vibrionales)弧菌科(Vibrionaceae)弧菌屬(Vibrio);Vibrioneocaledonicus是Chalkiadakis[20]等學(xué)者于2013年發(fā)現(xiàn)的一株細菌,具有將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的代謝特性;Vibrioazureus是Yoshizawa等學(xué)者[21]2009年發(fā)現(xiàn)的一株細菌,同樣具有將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的能力。好氧反硝化細菌一般存在于假單胞菌屬(Pseudomonas);產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes);副球菌屬(Paracoccus);芽孢桿菌屬(Bacillus)等[3],但弧菌屬好氧反硝化細菌鮮有報道。

        實驗期間生物反應(yīng)器出水口水質(zhì)出現(xiàn)多次波動,而且從對應(yīng)時間的誤差線幅度也可以看出3個反應(yīng)器在波動期會出現(xiàn)較大差異。反硝化細菌屬于異養(yǎng)微生物,而人工污水C/N較高,營養(yǎng)物質(zhì)豐富,利于微生物的繁殖;另一方面,反應(yīng)器直接暴露在室內(nèi),自然環(huán)境中的微生物也會在其中大量繁殖,使得反應(yīng)器內(nèi)的群落結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜,再加上反應(yīng)器容積太小,很容易受到外界環(huán)境的影響。實驗期間觀察到反應(yīng)器內(nèi)濾料表面生物膜逐漸增多,后期濾料表面附著了大量生物膜,微生物生命周期短,大量死亡后可能導(dǎo)致水質(zhì)惡化,引起水質(zhì)波動。

        4 結(jié)語

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