高效羟胺型硝化与反硝化细菌EM-H8的氮转化研究

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羟胺(NH2OH)是硝化过程的中间产物,广泛存在于自然界中。然而,其存在会破坏脱氮菌中核糖体参与的蛋白翻译过程,导致细菌无法进行生长繁殖,在脱氮过程中,羟胺过量积累会引起微生物死亡,导致废水脱氮效率下降。传统的去除羟胺的方法有两种,一种是向废水中添加丙酮,使丙酮/盐酸羟胺浓度比为3:1时通过浓缩去除羟胺,另一种是在p H 2-8条件下使用铁离子作为催化剂,通过添加过氧化氢降解羟胺,然而这两种方法去除成本高且容易造成二次污染。相比之下,生物脱氮具有经济、绿色和环保等特点,有广泛应用于转化羟胺的潜力。然而,目前很少有微生物能以羟胺为唯一氮源进行生长且高效去除羟胺的研究报道,且对于这类菌去除羟胺以及其他无机氮(铵氮、亚硝酸盐和硝酸盐)的机理尚不明确,因此,本研究前期以羟胺为氮源从沼气池中分离筛选出一株高效羟胺利用菌,并对其生物脱氮特性与氮转化过程进行了详细研究,以期该类菌可提高废水的脱氮效率。1.本研究中使用羟胺筛选培养基和溴百里酚蓝(BTB)培养基分离纯化得到9株可进行生物脱氮的细菌,将其命名为EM-A1~EM-I9,以高效去除羟胺与利用羟胺快速生长为主要筛选指标,筛选出一株去除效果较好的新型异养硝化与好氧反硝化细菌,命名为EM-H8,经过形态学观察以及16S r RNA基因测序,结合系统发育树结果,将菌株鉴定为谷氨酸杆菌(Glutamicibacter arilaitensis)。2.微生物脱氮会受环境因素的影响,菌株EM-H8在去除羟胺的过程中,其最适脱氮条件为:碳源为葡萄糖,C/N 25,温度20℃,接种量为0.53×10~8CFU,转速为150 rpm。在细菌去除羟胺的过程中,羟胺氧化还原酶的比活为0.065U/mg protein,氮平衡实验表明约26.86%的初始总氮转化为气态氮,在此过程中仅有少量硝酸盐的积累。3.在异养硝化过程中,Glutamicibacter arilaitensis EM-H8能广泛的利用葡萄糖、蔗糖、柠檬酸钠和丁二酸钠等碳源进行生物脱氮作用;通过24 h培养后,细菌对铵态氮(100 mg/L)和总氮的去除率分别达到100%和89.16%。在细菌去除铵氮的过程中,氨单加氧酶的比活为0.209 U/mg protein,通过中间产物检测与氮平衡实验结果分析,铵氮降解过程中仅有少量硝酸盐的积累,约有45.16%的初始总氮转化为气态氮。4.在好氧反硝化去除亚硝态氮的过程中,最适碳源为蔗糖,碳氮比为20的条件下,细菌EM-H8对亚硝酸盐和总氮的去除率分别为97.78%和87.24%。亚硝酸盐还原酶的比活为0.025 U/mg protein,通过中间产物检测与氮平衡实验结果分析,亚硝酸盐还原过程中有少量硝酸盐与铵氮的积累,约有82.95%的初始总氮转化为气态氮。好氧反硝化去除硝态氮过程中,最适碳源为丁二酸钠,碳氮比为15的条件下,对硝酸盐和总氮的去除率分别为99.39%和77.39%。硝酸盐还原酶的比活为0.314 U/mg protein,通过中间产物检测与氮平衡实验结果分析,硝酸盐还原过程中有大量亚硝酸盐的积累,约有77.13%的初始总氮转化为气态氮。菌株EM-H8是一株高效异养硝化-好氧反硝化细菌,基于细菌在氮转化过程中的中间产物积累情况、氮平衡实验与关键酶活力检测,可推测细菌进行硝化作用时,铵氮转化途径可能为:铵氮→硝态氮→亚硝态氮→气态氮与铵氮→生物量氮;羟胺转化途径可能为:羟胺→硝态氮→亚硝态氮→气态氮与羟胺→生物量氮;细菌在好氧反硝化去除亚硝酸盐时,其转化途径可能为:亚硝态氮→气态氮与亚硝态氮→生物量氮;硝酸盐转化途径可能为:硝态氮→亚硝态氮→气态氮与硝酸盐→生物量氮。5.在细菌EM-H8进行同步硝化反硝化作用时,铵态氮的添加使亚硝酸盐的去除速率由2.03 mg/L/h上升到4.04 mg/L/h。综上,菌株EM-H8不仅能去除羟胺,还能进行硝化作用、反硝化作用与同时硝化反硝化作用,细菌EM-H8的发现对提高氮去除率具有重要意义。
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