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        氨氮降解菌株的篩選及降解性能研究

        2022-10-11 03:04:24張國偉靳靜晨李晨晨高宇軒高雅娟張聞天靳永勝
        生物技術(shù)進展 2022年5期
        關(guān)鍵詞:紅糖碳源氨氮

        張國偉,靳靜晨,李晨晨,高宇軒,高雅娟,張聞天,靳永勝*

        1.北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院,北京102206;

        2.北京環(huán)氧環(huán)??萍及l(fā)展有限公司,北京100101

        目前,我國氨氮污染排放量已遠遠超出受納水體的環(huán)境容量,氨氮指標已超過化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)指標成為影響地表水環(huán)境質(zhì)量的首要指標[1],且大量研究表明,氨氮指標超標會使江河湖泊水體逐漸富營養(yǎng)化[2-5]。為防止水體環(huán)境不斷惡化,國家對主要污染物,如氮、磷的排放制定了嚴格的標準,目前生物除氮因具有低耗、高能、可持續(xù)性強等特點廣泛應(yīng)用于污水處理廠[6]。

        科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了大量具有氨氮降解能力的菌株,如假單胞菌(Pseudomonassp.)[7-10]、糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenes faecalis)[11]、芽 孢 桿 菌(Bacillussp.)[12]、酵母[13-14]等。目前越來越多的真菌被證實同樣具有去氮的能力,如李偉斯[15]從河流底泥中篩選出1株鏈格孢屬(Alternariasp.)真菌,其能夠利用多種有機碳源進行生長和反硝化;楊曉華[16]從焦化廢水處理單元活性污泥中篩選出1株鐮刀菌屬(Fusariumspp.)絲狀真菌,具有較強的適應(yīng)能力,初始濃度為450 mg·L-1氨氮的去除率為94.75%。劉志云[17]從雞糞中篩選出1株擬宛氏青霉菌HL,在初始氨氮濃度為300 mg·L-1時,菌株HL的氨氮降解率為80.53%;戚文靜等[18]從活性污泥中篩選出1株Galactomyces屬的菌株AD-7,初始氨氮濃度291.16 mg·L-1,接種量2.21%時氨氮降解率預(yù)測值為100%,實測值仍可達到99%;曾忠強等[19]將白腐真菌絲狀生物膜固定在中空的脈管載體上,構(gòu)建的新型白腐真菌反應(yīng)器可以控制氣泡和廢水流完成18批次(共進行401 d)的垃圾滲濾液連續(xù)處理,氨氮含量指標(ammonia nitrogen content index,NH3-N)和COD去除率分別達83%~97%和56%~74%。本研究從垃圾滲濾液中分離篩選出1株具有降解高氨氮能力的真菌,對其進行形態(tài)學(xué)和分子鑒定,并分析了該菌的氨氮降解特性,旨在為污水中去除氨氮提供安全、有效、經(jīng)濟的功能菌株。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 菌株來源 由北京南宮垃圾堆肥廠的垃圾滲濾液中篩選出1株具有氨氮降解能力的菌株。

        1.1.2 培養(yǎng)基配比 富集培養(yǎng)基:葡萄糖5.0 g·L-1,(NH4)2SO42.0 g·L-1,F(xiàn)eSO·47H2O 0.4 g·L-1,K2HPO41.0 g·L-1,MgSO·47H2O 0.5 g·L-1,其余為去離子水,pH為7.2~7.4。

        分 離 培 養(yǎng) 基:葡 萄 糖5.0 g·L-1,(NH4)2SO42.0g·L-1,F(xiàn)eSO·47H2O 0.4 g·L-1,K2HPO41.0 g·L-1,MgSO·47H2O 0.5 g·L-1,瓊脂20 g·L-1,其余為去離子水。

        篩 選 培 養(yǎng) 基:葡 萄 糖5.0 g·L-1,(NH4)2SO40.6 g·L-1,NaCl 1.0 g·L-1,F(xiàn)eSO·47H2O 0.05 g·L-1,K2HPO40.5g·L-1,MgSO·47H2O 0.25g·L-1,其余為去離子水。

        1.1.3 主要試劑與儀器 納氏試劑購于河南標準物質(zhì)研發(fā)中心;酒石酸鉀鈉、過硫酸鉀、葡萄糖、蔗糖、紅糖、可溶性淀粉、硫酸銨、七水合硫酸亞鐵、磷酸氫二鉀、七水硫酸鎂以及其他主要試劑均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。以上藥品均為分析純。DJS-2013R-2恒溫搖床購于上海世平實驗設(shè)備有限公司;SW-CJ-2FD超凈工作臺購于蘇凈集團蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;YP30002電子天平購于上海越平科學(xué)儀器蘇州制造有限公司;UV-5500紫外可見分光光度計購于上海元析儀器有限公司;MLS-3750高壓蒸汽滅菌鍋購于日本SANYO公司;22331離心機購于德國Eppendorf公司;LBY純水儀購于北京龍碧源水處理設(shè)備有限公司。

        1.2 方法

        1.2.1 菌種分離純化和篩選 取滲濾液10 mL,接種于100 mL滅菌后的富集培養(yǎng)基中,充分搖勻,在溫度為30℃、轉(zhuǎn)速180 r·min-1的條件下振蕩培養(yǎng),富集7 d,每隔1 d補加0.5 g(NH4)2SO4。富集后經(jīng)梯度稀釋均勻涂布于分離培養(yǎng)基的平板上,在30℃培養(yǎng)箱倒置恒溫培養(yǎng),挑取平板上長出的單菌落進行重復(fù)分離純化,直至得到單一菌株,命名為Z-5。

        1.2.2 菌株的分子鑒定 利用TIAGEN真菌試劑盒提取菌株Z-5的DNA,然后以其DNA為模版、以27F(5′-AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3′)與1492R(5′-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3′)為引物,采用PCR儀擴增其內(nèi)源轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(internally transcribed spacer,ITS)序列,擴增后用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,將PCR產(chǎn)物送至英濰捷基(上海)貿(mào)易有限公司測序,利用測序結(jié)果在NCBI上進行Blast比對,并用MEGA 5.0做系統(tǒng)發(fā)育樹。

        1.2.3 單一因素最優(yōu)條件試驗 將菌株Z-5接種于100 mL篩選培養(yǎng)基中,置于30℃下、180 r·min-1搖床中進行培養(yǎng),每24 h取樣測定其氨氮濃度,其中不同的培養(yǎng)條件設(shè)置如下。①不同接種量:接種量分別為0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,氨氮初始濃度為100 mg·L-1,碳源為葡萄糖,pH為6.0,培養(yǎng)時間為5 d;②不同初始氨氮濃度:氨氮濃度分別為100、250、500、750、1 000 mg·L-1,接種量為1%,碳源為葡萄糖,pH為6.0,培養(yǎng)時間為7 d;③不同碳源:碳源分別為葡萄糖、蔗糖、紅糖、可溶性淀粉,接種量為1%,氨氮濃度為100 mg·L-1,pH為6.0,培養(yǎng)時間為3 d;④不同pH:pH分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0,接種量為1%,氨氮初始濃度為100 mg·L-1,碳源為紅糖,培養(yǎng)時間為4 d。

        1.2.4 正交試驗 以100 mg·L-1氨氮為初始氮源,設(shè)計L(933)正交試驗,3個因素分別為A:氨氮初始濃度;B:碳源;C:pH(表1)。

        表1 因素水平表Table 1 The factors and levels scale

        1.2.5 氨氮檢測方法將待測樣品用去離子水稀釋到合適的倍數(shù),然后用納氏試劑分光光度法進行氨氮的測定。氨氮具體測定方法參考Fei等[12]納氏試劑分光光度法。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 菌株的形態(tài)特征

        觀察菌株Z-5在固體分離培養(yǎng)基的菌落形態(tài),該菌株為乳白色圓形,表面不光滑,著生菌絲。增殖后菌株由乳白色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色且有菌絲分布于培養(yǎng)基中。該菌屬于真菌界,菌株Z-5在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)如圖1所示,帚狀枝雙輪生,?;枯?~5個;瓶梗每輪4~6個;分生孢子橢圓形,經(jīng)常呈長鏈狀。

        圖1 菌株Z-5在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)Fig.1 Morphology of strain Z-5 under optical microscope

        2.2 菌株的分子鑒定

        PCR擴增菌株Z-5的ITS序列在NCBI(http://archive-dtd.ncbi.nlm.nih.gov/)網(wǎng)站上進行序列比對,用MEGA 5.0做分子發(fā)育樹。結(jié)果表明,菌株Z-5與褐紅籃狀真菌(Talaromyces pinophilusKF572452.1)的同源性最高,相似性達到99%,因此初步判斷Z-5屬于褐紅籃狀菌(圖2)。

        圖2 菌株Z-5的ITS基因序列系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic tree of ITS gene sequence of Z-5 species

        2.3 菌株Z-5降解氨氮能力

        2.3.1 接種量對菌株Z-5氨氮降解的影響 由圖3可知,當氨氮初始濃度為100 mg·L-1時,在不同的接種量條件下,氨氮降解率均隨著時間的增加呈現(xiàn)先快速增加后逐漸平穩(wěn)的趨勢,同時隨著接種量的增加氨氮降解率大體呈先增加后減少的趨勢,第1、2 d時,隨著接種量的增加氨氮降解率呈逐漸增加趨勢,第3 d開始接種量1.0%時氨氮降解率升高,并在第5 d時達到峰值,為95.1%。其中接種量為0.1%、0.5%、1.5%、2.0%時均在培養(yǎng)第5 d氨氮降解率達到峰值,分別為79.2%、86.5%、87.8%、81.1%。以上結(jié)果表明,菌株Z-5最適的接種量為1%。

        圖3 接種量對菌株Z-5氨氮降解率的影響Fig.3 Effects of inoculation amount on ammonia degradation rate of Z-5

        2.3.2 初始氨氮濃度對菌株Z-5降解氨氮的影響由圖4可知,在初始氨氮濃度為100 mg·L-1時,培養(yǎng)2 d氨氮去除率即可達到90%以上,初始氨氮濃度為250、500、750 mg·L-1時,氨氮去除率分別在第3、4、7 d達到90%以上,而當氨氮初始濃度為1 000 mg·L-1時,在培養(yǎng)到第7 d時,氨氮去除率達到69.3%。結(jié)果表明,氨氮初始濃度越小,氨氮去除率達到最大所需的時間越短,當氨氮初始濃度為100 mg·L-1時,氨氮去除率于第4 d時達到最高,為96.1%。如圖5所示,氨氮初始濃度分別為100、250、500、750、1 000 mg·L-1時,其對應(yīng)氨氮絕對降解量分別在第2、3、5、7 d時達到最高,分別為96.1、238.2、472.6、702.0、693.1 mg。以上結(jié)果說明,氨氮初始濃度越低,氨氮絕對降解量達到最大所需時間越短;初始氨氮濃度在100~750 mg·L-1的范圍內(nèi)時,氨氮初始濃度越高,氨氮絕對降解量的峰值越高,但當氨氮初始濃度提高到1 000 mg·L-1時,其最大氨氮絕對降解量開始下降,因此,菌株Z-5在初始氨氮濃度1 000 mg·L-1以下時,提高氨氮濃度可以提高菌株Z-5的氨氮降解效率。

        圖4 氨氮初始濃度對菌株Z-5氨氮降解率的影響Fig.4 Effect of initial concentration of ammonia nitrogen on ammonia degradation rate of Z-5

        圖5 氨氮初始濃度對菌株Z-5氨氮絕對降解量的影響Fig.5 Effect of initial ammonia nitrogen concentration on absolute degradation of ammonia nitrogen by strain Z-5

        2.3.3 碳源對菌株Z-5氨氮降解的影響 由圖6可知,菌株Z-5最適碳源為紅糖,在培養(yǎng)2 d內(nèi)就可以將氨氮基本完全降解;其次為蔗糖和葡萄糖,在培養(yǎng)3 d后氨氮幾乎被完全降解;淀粉作為碳源氨氮降解效果最差,在培養(yǎng)第3 d時氨氮僅去除28.5%。以上結(jié)果表明,碳源是微生物生長的能源物質(zhì),對微生物的生長發(fā)育具有重要作用,合適的碳源不僅能提高氨氮的降解效果,而且能大大降低成本。

        圖6 碳源對Z-5菌株氨氮濃度的影響Fig.6 Effect of carbon source on ammonia concentration of Z-5

        2.3.4 pH對菌株Z-5氨氮降解的影響由圖7可知,在不同pH條件下,隨著培養(yǎng)時間的增加,氨氮去除率呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。菌株在pH 6.0~8.0時均能很好地發(fā)揮脫氮作用,在第4天時其去除率分別為94.97%、94.91%、94.75%,其中當初始pH為8.0時其氨氮去除率在第3天時已達到90.66%,以上結(jié)果表明,該菌株更適合中性偏堿的環(huán)境,但是在弱酸環(huán)境時仍然具有較好的降解效果。

        圖7 pH對Z-5菌株氨氮降解率的影響Fig.7 Effect of pH on ammonia degradation rate of Z-5

        2.4 單因素交叉響應(yīng)

        上述每個單因素指標的計算結(jié)果具有片面性,無法表現(xiàn)多種因素的相互影響。為探索多因素的相互影響,用磷酸鹽緩沖液和HCl或NaOH調(diào)節(jié)不同酸堿度和氨氮初始濃度之間的相互影響為例,分析雙因素對氨氮降解率的影響,其交互作用的響應(yīng)面如圖8所示,菌株Z-5的初始pH(5.0、6.0、7.0、8.0、9.0)和初始氨氮濃度(100、250、500、750、1000 mg·L-1)的二元分布共包含5×5=25組結(jié)構(gòu)組合,從圖中可以看出,隨著pH的增加,不同初始氨氮濃度對應(yīng)的氨氮降解率均先增加,到達最大值后再依次減?。浑S著初始氨氮濃度的增加,不同pH對應(yīng)的氨氮降解率均依次減小,并且當初始氨氮濃度為100 mg·L-1和pH為7.0時,其氨氮降解率最高,達到了96.3%,與探究單因素菌株Z-5降解氨氮效果的結(jié)果一致。綜合單因素的實驗結(jié)果分析,影響氨氮降解的幾個因素主要是氨氮初始濃度、碳源以及pH,故以氨氮降解率為指標,做初始濃度、碳源和pH 3因素3水平正交試驗L9(33),正交試驗結(jié)果見表2。由表2可知,各因素對氨氮降解率的影響主次順序分別為:氨氮初始濃度、碳源、pH,最優(yōu)水平為A1B3C3,即氨氮初始濃度為100 mg·L-1,碳源為紅糖,pH為7.0,氨氮降解率達到了94.75%。

        圖8 pH和氨氮初始濃度之間的二元分布Fig.8 Bivariate distribution of pH and initial concentration of ammonia nitrogen

        表2 正交試驗結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiments

        3 討論

        研究表明,含有高濃度氨氮的廢水如果不經(jīng)處理直接排放到水庫或江河湖海中,會影響人類健康,并且過量的氨氮會破壞水體自凈能力,打亂水體環(huán)境生態(tài)平衡[20]。本研究結(jié)果表明,菌株Z-5最適接種量為1.0%,分析原因為,接種量的大小決定了菌種的繁殖速度,接種量過大或過小,都會影響氨氮降解效果。接種量過大會造成溶氧不足,影響產(chǎn)物的合成,隨之產(chǎn)生更多的代謝中間產(chǎn)物,不利于菌株生長;過小會延長培養(yǎng)時間,影響氨氮降解速率。吳建江等[21]篩選出一株假單胞菌(Pseudomonassp.)XS76,其最適接種量為4%;王田野等[22]篩選出的一株異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌不動桿菌(Acinetobactersp.)SQ2,研究發(fā)現(xiàn)其最適接種量為5%。適宜的氨氮濃度可以促進氨氧化菌的生長,提高氨氮去除效率,但過高的氨氮,會抑制氨氧化菌的生長與活性,從而影響其氨氮降解能力[16]。,隨著氨氮濃度的增加,菌株Z-5對污水氨氮去除率逐漸下降,在初始氨氮濃度100~750 mg·L-1的范圍內(nèi),菌株Z-5對氨氮的絕對去除量逐漸增加。分析原因為,氨氮濃度的提高可能會導(dǎo)致C/N比下降造成的;菌株Z-5的最適碳源為紅糖,不同的碳源對菌株的氨氮降解能力不同,本研究的碳源分別是葡萄糖、蔗糖、紅糖和淀粉,其中葡萄糖、蔗糖和淀粉均屬于化合物,而紅糖為混合物,總糖分≥85%,含有較多微量元素,如鐵、鋅、錳、鉻等,這些微量元素為菌株降解氨氮的過程中提供了營養(yǎng)物質(zhì);菌株Z-5最適pH為7.0,即在中性條件下氨氮降解能力最強。有研究表明,香茅醇假單胞菌(Pseudomonas)WXP-4[9]和寡養(yǎng)不動桿菌(Acinetobactersp.)SYF26[23]pH為7.0時脫氮能力最佳,而喻其林等[24]、朱偉等[25]在雞糞和生活污水中分離的微生物最適pH分別為7.5、8.0,表明微生物生存環(huán)境不同,篩選出的菌種最適pH也存在明顯的差異。

        本研究對篩選菌株Z-5氨氮降解特性作了初步單因素分析、二元分布以及3因素3水平正交試驗,結(jié)果表明,當接種量為1%、氨氮初始濃度為100 mg·L-1、碳源為紅糖以及pH為7.0時,氨氮降解率最高,達到了94.75%。綜上所述,菌株Z-5對低濃度的氨氮具有較高的去除能力,在培養(yǎng)時長足夠的條件下對高氨氮廢水也具有較強的去除能力,本研究結(jié)果為菌株Z-5在實際廢水處理中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ),但其他環(huán)境影響因素以及多因素交叉影響情況有待進一步分析。

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