异养硝化—好氧反硝化菌Diaphorobacter sp. PDB3的脱氮特性研究

异养硝化—好氧反硝化菌Diaphorobacter sp. PDB3的脱氮特性
研究
随着社会工业化进程的加速,水污染问题日益加剧,水中氮素含量日益升高。

水体富营养化问题困扰着人类的健康和水生植物的生长。

因此,水体中氮素的去除一直以来都是水处理领域研究的热点问题。

由于传统脱氮工艺技术存在着短板与不足,新型脱氮工艺和技术的研发一直是国内外学者的研究方向。

研究发现,一些异养型硝化菌能够在有氧的情况下进行反硝化作用,由此诞生了异养硝化-好氧反硝化这种新型的生物脱氮技术,使硝化和反硝化能在同一装置中进行,同时去除污水中的碳和氮,并且将氮素转变为气态氮排出水体,从而解决了传统废水脱氮工艺在经济效益与处理效率两方面的矛盾。

Diaphorobacter sp.PDB3从焦化废水处理系统的活性污泥中分离纯化得到,在前期的研究中已证实菌株PDB3具有异养硝化-好氧反硝化的性能。

本文首先通过单因素试验研究了碳源种类、碳氮比、溶解氧、pH、培养温度等因素对菌株脱氮性能的影响,利用响应面法（RSM）优化了培养条件;在此基础上,研究了菌株的异养硝化以及好氧反硝化性能,通过酶活性分析、动力学分析、以及不同条件下的反硝化性能分析,对菌株的生长条件以及脱氮机制有了进一步的了解。

单因素试验表明,Diaphorobacter sp.PDB3生长代谢所需的最佳碳源是琥珀酸钠,不能利用乙醇碳源。

碳氮比、溶解氧、pH、培养温度会对菌体的异养硝化-好氧反硝化过程产生较为明显的影响。

采用响应面法对影响菌体生长和氨氮降解率的因素进行研究,通过对拟合回归模型方差分析,对碳氮比和温度、碳氮比和摇床转速、温度和摇
床转速之间对氨氮降解率的两两交互影响的分析,确定菌株降解氨氮的最佳工艺参数为:碳氮比10.64、温度28.69℃、摇床转速128.91r/min、ph值7.2、接种量5%、钙离子0.1mmol/l、镁离子0.1mmol/l、铁离子0.1mmol/l。

验证试验表明,在优化后的培养基中氨氮降解率比优化前提高了8.68%。

菌体在最优条件下的生长曲线表明,细胞浓度于21h达到最大值,此时od600达到1.439,比生长速率最大达到0.302h-1,在异养硝化过程中检测到少量的硝氮和亚硝氮的存在,之后逐渐降低。

菌株PDB3在高浓度氨氮废水中生长良好,在菌体处于对数生长期时氨氮和总氮得到快速降解,氨氮的降解与菌体的生长有直接的关系;适当提高氨氮浓度可以促进菌体的生长并提高氨氮降解率。

氮平衡分析表明,胞内氮由0.72mg/l 增加到52.12mg/l,增长量占到氨氮去除量的49.41%;氮损失为45.09mg/l,占氨氮去除量的42.74%,这部分氮由气态氮的形式排出系统,由此可知,细胞同化作用和异养硝化-好氧反硝化作用为菌株脱氮的主要形式。

酶活分析表明,菌株PDB3在生长过程中,羟氨氧化酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶均可检测到,证明了菌株PDB3的硝化与反硝化途径是偶联的。

结合整个硝化反硝化过程,可知diaphorobactersp.PDB3的脱氮途径
为:NH₄^?-N→NH₂OH-N→
NO₂^￣-N→NO₃^￣-N→
N₂。

菌株PDB3对氨氮的降解符合一级反应动力学模型,最大比生长速率max为0.365h-1,氨氮最大比降解率为1.724mg/（l·h）,ks为420.51mg/l。

Diaphorobactersp.PDB3能够分别以亚硝氮和硝氮为唯一氮源进行菌体生长和
反硝化作用,反应过程未检测到羟胺,均检测到氨氮,推测在反硝化过程中菌株将部分亚硝氮和硝氮转变为氨氮,供其生长代谢。

当反硝化培养基中氮源浓度为200 mg/L,C/N为10时,菌株PDB3的反硝化降解率可达60%左右,且菌株可利用较高浓度的硝氮和亚硝氮进行生长代谢。

菌株在进行反硝化时所需的碳氮比更高,这可能是由于菌体不能直接利用亚硝氮和硝氮作氮源,需先将其转变为氨氮,这个过程需要碳源来提供能量。

随着碳氮比的升高,菌体反硝化作用越强,当碳氮比为15时,菌株对100 mg/L的亚硝氮降解率达到96.98%,可完全去除100 mg/L的硝氮。