复合Halomonas菌株高盐下SND脱氮性质及其对高盐含氮废水净化的研究

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高盐含氮废水是总含盐质量≥1%,或水中总溶解性固体(TDS)>3.5%、含总氮>20 mg/L的废水。沿海养殖、海产品加工、以及为了缓解淡水压力沿海地区和远洋船舶使用海水冲厕、皮革加工、石油或天然气开采等都会产生大量的高盐含氮废水。盐单胞菌(Halomonas)属于中度嗜盐菌,该菌属的菌可在盐浓度为3-15%的范围内生长。研究报道诸多Halomonas菌株具有同步异养硝化好氧反硝化(Simultaneous heterotrophic nitrification and aerobic denitrification,SND)脱氮的能力。目前关于Halomonas菌株SND脱氮的研究均以单一菌株为研究对象,而单一菌株在SND脱氮过程中存在对环境因子变化敏感、生物稳定性差、以及SND脱氮过程中各反应的反应效率参差不齐等问题。选择功能互补的复合菌株用于某一生物过程,往往能够弥补单一菌株在脱氮过程中的缺陷。本文欲将Halomonas菌株进行组合使微生物间形成优势互补,构建能够在高盐条件下进行高效SND脱氮的复合菌,提高高盐含氮废水的处理效率。本文将13株Halomonas菌株混合作为混合菌,取其中脱氮最佳的菌株Halomonas venusta H 41作为单菌株,在相同条件下对比单菌株和混合菌株SND脱氮效果,相同条件下混合菌SND脱氮率为82.06%,单菌株SND脱氮率为67.58%,验证了混合菌的SND脱氮优势。并对混合菌脱氮前后进行16S r DNA高通量测序,将混合菌脱氮后各Halomonas菌株的16S rDNA相对丰度作为生长代谢强度指标筛选优势菌,并将所得优势菌株混合作为复合菌。不同盐浓度下各单一优势菌及复合菌生长和Ectoine合成分泌的考察结果表明,复合菌在高盐条件下相较于单一优势菌生长更好,且复合菌的Ectoine合成总量和分泌量分别为1289 mg/L和766.23 mg/L,显著优于单菌株Halomonas venusta H 41和其余优势菌。复合菌的氨氮加氧酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶活性分别为144.04 U/L、10.26U/L和448.34U/L,分别为各优势菌最佳氨氮加氧酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶活性的1.12倍、1.05倍和1.01倍。即使复合菌在120 g/L的盐浓度条件下,氨氮加氧酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶活性仍能保持最大酶活性的27.17%、15.69%和19.63%,复合菌脱氮相关酶活性及酶的耐盐性显著优于单一优势菌。本文研究从酶学角度探究微生物间的优势互补对复合菌SND脱氮的促进作用。通过对优势菌的脱氮相关酶基因进行克隆,本文从酶学和分子生物学角度为复合菌SND脱氮提供了理论基础。考察复合菌尿素水解,并对复合菌尿素水解及以氨氮为底物的SND脱氮条件进行优化。结果表明,复合菌具有尿素水解能力且最佳尿素水解条件为乙酸钠为有机碳源、C/N为7.5、p H为8、盐浓度为27 g/L。初始尿素为200 mg/L,最佳条件下84 h后尿素水解率为90.81%。以氨氮为底物的最佳SND脱氮条件为柠檬酸三钠为有机碳源、C/N为5、p H为8和盐浓度为60 g/L。初始NH4+-N浓度为1059 mg/L,最佳条件下192 h后复合菌的SND脱氮率为98.30%,脱氮过程无中间产物NO2--N和NO3--N的积累且非生长阶段脱氮率大于生长阶段,对于膜生物处理或固定化处理具有很好的应用前景。本文构建了具有高效SND脱氮能力的Halomonas复合菌,该复合菌具有尿素水解能力,将复合菌用于处理模拟高盐废水中的尿素和氨氮时,在初始尿素态氮为93.24mg/L,NH4+-N为117 mg/L的条件下,经过192 h,尿素态氮水解率为68.88%、NH4+-N及TN去除率分别为93.6%和81.23%。结果表明,复合菌可以同步去除模拟高盐废水中的尿素和氨氮。
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