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一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法.pdf

  • 上传人:bo****18
  • 文档编号:8770683
  • 上传时间:2021-01-02
  • 格式:PDF
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201710262206.5

    申请日:

    20170420

    公开号:

    CN107099471A

    公开日:

    20170829

    当前法律状态:

    有效性:

    审查中

    法律详情:

    IPC分类号:

    C12N1/20

    主分类号:

    C12N1/20

    申请人:

    华南理工大学

    发明人:

    万金泉,易晓辉,王艳,马邕文,关泽宇

    地址:

    510640 广东省广州市天河区五山路381号

    优先权:

    CN201710262206A

    专利代理机构:

    广州粤高专利商标代理有限公司

    代理人:

    何淑珍

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    内容摘要

    本发明公开了一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法。该方法在抑制产甲烷代谢下,通过酸化、投加硝酸盐并控制基质中COD/NO3‑‑N值连续培养,富集以互营杆菌属和史密斯氏菌属为主要丙酸氧化菌,以氢营养型产甲烷菌群和反硝化菌群为主要互营共生菌群,伴随以丙酸和氢为物质基础的代谢菌群结构的优势菌群。本发明的富集培养方法将反硝化代谢过程部分引入传统厌氧生物处理过程中,形成以丙酸和氢为物质来源的优势菌群,培养得到的菌群结构稳定,对丙酸降解速率快,降解效率高,在短时期内可实现丙酸高速及高效降解,培养过程可重复性强。

    权利要求书

    1.一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)在密闭的连续搅拌槽式反应器中接种厌氧的絮状或颗粒状污泥,加入甲烷代谢抑制剂培养后,进行酸化,得到酸化的基质;(2)在酸化的基质中,以丙酸盐为碳源、硝酸盐为氮源,控制基质体系的COD/NO-N值进行连续培养,得到富集的丙酸氧化菌及其互营共生菌群。 2.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述密闭的连续搅拌槽式反应器在投料用于连续培养前用氩气驱赶掉体系中溶解氧,并投加铁粉、L-半胱氨酸和刃天青指示剂用于降低和指示体系内氧化还原电位值,控制体系中氧化还原电位在-350~-200mV。 3.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述厌氧的絮状或颗粒状污泥为沉淀池、消化池或废水厌氧反应器中的絮状或颗粒状污泥,且接种前用筛网筛去包括纸屑、塑料片以及小石块在内的杂质。 4.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述厌氧的絮状或颗粒状污泥接种的投加浓度控制在1~5gVSS/L。 5.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述产甲烷代谢抑制剂为2-溴乙烷磺酸;所述产甲烷代谢抑制剂为一次性加入,相对污泥的最终使用浓度为5~10mmol/L;加入产甲烷代谢抑制剂培养的时间为4~12小时。 6.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述酸化采用加入丙酸盐和稀硝酸的混合液进行酸化;所述丙酸盐和稀硝酸的混合液中,丙酸盐和稀硝酸的质量比为10~15:1;所述酸化过程中,控制体系的pH值在6.0~6.5之间,酸化的时间为12-24小时。 7.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述硝酸盐包括硝酸钠、硝酸钾和硝酸铵中的一种以上;所述硝酸盐由少至多分2~3次连续投加,直至达到基质体系的预定COD/NO-N值。 8.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(2)中,控制基质体系中的COD值在2500~4000mg/L;控制基质体系中的COD/NO-N值在5~200之间。 9.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述连续培养的温度控制在35~40℃中温范围内;所述连续培养的pH值控制在6.5~7.2范围内;所述连续培养过程中的搅拌速率在10~30r/min之间;所述连续培养的时间为7~30天。 10.根据权利要求1所述的一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,其特征在于,培养得到富集的丙酸氧化菌及其互营共生菌群,是以互营杆菌属和史密斯氏菌属为主要丙酸氧化菌,以氢营养型产甲烷菌群和反硝化菌群为主要的互营共生菌群,同时伴随以丙酸和氢为物质基础的代谢菌群结构的优势菌群。

    说明书

    技术领域

    本发明涉及废水生物处理与回用中的菌群培养领域,具体涉及一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法。

    技术背景

    有机物厌氧生物代谢产甲烷过程,主要是通过不同类型微生物菌群协同作用将大分子有机物质降解为挥发性脂肪酸等中间产物,并最终转化为CH4、CO2和H2O等物质。其中丙酸是此过程中重要的中间代谢产物,有研究表明,体系中甲烷产量中大约有35%以上是由丙酸转化而来的。然而丙酸不能被产甲烷菌群直接代谢,需要先转化为乙酸而后被利用,此过程受热动力学限制(ΔG0>0),反应不能自发进行,需其他耗氢菌群配合形成互营共生体。然而受限于“代谢链”前段的发酵产酸细菌和后段共生氢营养型产甲烷菌群代谢的影响,丙酸易在厌氧系统中发生累积,被认为是厌氧生物代谢过程限速步骤。丙酸的过度积累不仅影响体系环境生态因子,对包括产甲烷菌群在内的其他微生物菌群产生抑制作用,而且会通过反馈抑制剩余有机物的水解酸化,进而导致厌氧生物代谢全链条受阻,处理效能和运行稳定性下降。因此,提高厌氧生物代谢系统中丙酸的降解效率,缓解或解除其在系统内的过度累积效应,是保证系统稳定运行,提高原料转化效率的关键措施。

    目前,构建高效丙酸氧化菌及其互营共生菌群,实现丙酸在体系内的快速代谢降解,是提升有机物厌氧生物处理效能和运行稳定性的主要思路。然而,常规方式主要是通过调控包括pH、ORP(氧化还原电位)、碱度、有机负荷和水力停留时间等体系环境生态因子,最终找出共培养体最适合的生态因子范围并获得共培养菌群,如专利CN 104591402 A(一种互营脂肪酸氧化菌与产电菌优势菌群的构建方法);或者将多种类型专性降解菌叠加形成复合菌群的方式,如专利CN 106085926 A(快速解除丙酸积累的复合菌及其制备方法和应用)、专利CN 104862259 A(高有机负荷中温沼气发酵复合菌剂、其制备方法和用途)。但均存在一定的缺陷,如通过调控体系环境生态因子进而获得共培养菌群方式中,报道获得的共生耗氢菌群主要有同型产乙酸菌、产甲烷菌和硫酸盐还原菌三大类;其中,同型产乙酸菌比生长速率大,生长周期长;产甲烷菌对环境条件较为严格,代谢缓慢;硫酸盐还原菌生长过程中存在碳源竞争,且产生H2S抑制厌氧过程,产生臭味;同时,均存在富集效率低,后续应用效果差,实施效果不高。在将多种类型专性降解菌叠加形成复合菌群的方式中,目前已鉴定得到的中温丙酸氧化菌主要来源于δ-变形菌门纲(Delta-proteobacteria)和梭状杆菌纲(Clostridia),包含4个属6个种,分布稀少,培养周期长,不易富集,菌株获取困难,商业价格高昂,且代谢类型和生境条件各异,简单地将全部菌群叠加在一起,未考虑代谢类型和生境条件差异,菌体在实施过程中易流失,效果大打折扣。

    促进不同类型和营养型菌群融合,优化共生菌群结构及其代谢通路,强化生物链式协同代谢实现丙酸的优先降解与快速转化,解决中间产物代谢和转化的不平衡的问题,为产甲烷过程提供优质底物,实现产甲烷过程高效稳定持续运行是当前解决这一问题的最新途径,但目前尚未见之于报道。

    发明内容

    本发明的目的在于提供一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法。在抑制产甲烷代谢下,通过酸化、投加硝酸盐并控制基质中COD/NO3--N值连续培养,丙酸氧化菌及其互营共生菌群数量增殖2个数量级以上,富集以互营杆菌属(Syntrophobacter)和史密斯氏菌属(Smithella)为主要丙酸氧化菌,以氢营养型产甲烷菌群和反硝化菌群为主要互营共生菌群,伴随以丙酸和氢为物质基础的代谢菌群结构的优势菌群。以实现优化共生菌群结构及其代谢通路,强化生物链式协同代谢实现丙酸的优先降解与快速转化,解决中间产物丙酸代谢和转化的不平衡的问题。

    本发明的目的通过如下技术方案实现。

    一种厌氧条件下富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的方法,包括如下步骤:

    (1)在密闭的连续搅拌槽式反应器(CSTR)中接种厌氧的絮状或颗粒状污泥,加入甲烷代谢抑制剂培养后,进行酸化,得到酸化的基质;

    (2)在酸化的基质中,以丙酸盐为碳源、硝酸盐为氮源,控制基质体系的COD/NO3--N值进行连续培养,得到富集的丙酸氧化菌及其互营共生菌群。

    进一步地,步骤(1)中,所述密闭的连续搅拌槽式反应器使用前用氩气驱赶掉溶解氧,并投加铁粉、L-半胱氨酸和刃天青指示剂用于降低和指示体系内氧化还原电位值,控制体系中氧化还原电位在-350~-200mV。

    进一步地,步骤(1)中,所述厌氧的絮状或颗粒状污泥为沉淀池、消化池或废水厌氧反应器中的絮状或颗粒状污泥,且接种前用筛网筛去包括纸屑、塑料片以及小石块在内的杂质。

    进一步地,步骤(1)中,所述厌氧的絮状或颗粒状污泥接种的投加浓度控制在1~5g VSS/L。

    进一步地,步骤(1)中,所述产甲烷代谢抑制剂为2-溴乙烷磺酸(BES)。

    进一步地,步骤(1)中,所述产甲烷代谢抑制剂为一次性加入,相对污泥的最终使用浓度为5~10mmol/L。

    进一步地,步骤(1)中,加入产甲烷代谢抑制剂培养的时间由体系产甲烷速率大小决定,优选为4~12小时。

    进一步地,步骤(1)中,所述酸化采用加入丙酸盐和稀硝酸的混合液进行酸化。

    更进一步地,所述丙酸盐和稀硝酸的混合液中,丙酸盐和稀硝酸的质量比为10~15:1。

    进一步地,步骤(1)中,所述酸化过程中,控制体系的pH值在6.0~6.5之间,酸化的时间为12-24小时。

    进一步地,步骤(2)中,所述硝酸盐包括硝酸钠、硝酸钾和硝酸铵中的一种以上。

    进一步地,步骤(2)中,所述硝酸盐由少至多分2~3次连续投加,直至达到基质体系的预定COD/NO3--N值。

    进一步地,步骤(2)中,控制基质体系中的COD值在2500~4000mg/L。

    进一步地,步骤(2)中,控制基质体系中的COD/NO3--N值在5~200之间。

    进一步地,步骤(2)中,所述连续培养的温度控制在35~40℃中温范围内。

    进一步地,步骤(2)中,所述连续培养的pH值控制在6.5~7.2范围内。

    进一步地,步骤(2)中,所述连续培养过程中的搅拌速率在10~30r/min之间。

    进一步地,步骤(2)中,所述连续培养的时间为7~30天。

    进一步地,培养得到富集的丙酸氧化菌及其互营共生菌群,是以互营杆菌属和史密斯氏菌属为主要丙酸氧化菌,以氢营养型产甲烷菌群和反硝化菌群为主要的互营共生菌群,同时伴随以丙酸和氢为物质基础的代谢菌群结构的优势菌群。

    与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:

    (1)本发明的富集培养方法操作简便、富集效率高,对外界环境条件无特殊要求,参数控制少,条件易控,经济可行,实施过程方便,后续可用于厌氧生物降解过程过度酸化等异常状况的缓解和修复,具有显著实用价值;

    (2)本发明的富集培养方法将反硝化代谢过程部分引入传统厌氧生物处理过程中,形成大量以丙酸和氢为物质来源的优势菌群,培养得到的共生菌群对丙酸降解速率快,降解速率高,在短时期内可实现丙酸的高效降解,培养过程可重复性强;

    (3)本发明的富集培养方法操作简便,为混菌条件下培养具有共同特质的微生物优势菌群提供了参考和指导。

    附图说明

    图1为本发明具体实施方式中富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的具体流程示意图;

    图2为实施例1中富集培养后菌群用于丙酸降解效果的研究结果示意图;

    图3为实施例2中富集培养后菌群用于丙酸降解效果的研究结果示意图。

    具体实施方式

    为了便于理解本发明内容,下面将参照相关附图对本发明作进一步说明,阐明本发明的突出特点和显著进步,仅在于说明本发明而绝不局限于以下所描述的实施例。

    本发明具体实施方式中富集培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群的具体流程示意图如图1所示,包括步骤:在密闭的连续搅拌槽式反应器中接种污泥,加入产甲烷抑制剂进行甲烷代谢的抑制,酸化以及加入碳、氮源控制基质碳氮比进行连续富集培养,得到丙酸氧化菌及其互营共生菌群。

    本发明具体实施方式中的高通量测序条件如下:

    高通量测序在MiSeq测序平台(Illumina,USA)上完成,实验过程中选用引物对515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)对16S rDNA基因V4可变区进行扩增,不同样品连接特异性接头用于区分。

    聚合酶链式反应(PCR)在GeneAmp 9700仪器(Applied Biosystems,USA)上进行,扩增体系为50μL,其中包含0.4μM正反引物、1μL模板DNA、250nM核苷酸和1×FastPfu Buffer的混合物。扩增条件如下:95℃预变性3min,95℃变性30s,55℃退火30s,72℃延伸30s;25个周期循环后,在72℃延伸5min。扩增后产物用AxyPrepTM DNA Gel Extraction Kit(AXYGEN,USA)试剂盒纯化并定量。

    测序数据下机后,去除数据中末端的接头序列和引物序列,然后根据标签序列将数据拆分为不同样本数据,然后将拆分后所获得的数据利用FLASH(version 1.2.7)软件(http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/)对每个污泥样数据进行重组装拼接,拼接后所得到序列即为原始数据,将拼接后数据(tags)从连续低质量值(默认设定<=10)碱基数达到设定长度(默认是5)的第1个低质量碱基位点截断,过滤去除截取后得到的Tags集合中长度小于平均长度的70%的数据,将以上过滤得到的序列与数据库进行比对,去除其中的嵌合体序列,得到最终有效序列(effective tags)用于后续分析。提取序列间相似率大于97%的非重复序列,借助Mothur软件(http://www.mothur.org/wiki/Main_Page)分析并生成分类操作单元(OTU);基于OTUs类型和数量等信息,采用RDP分类法将OTU序列与Silva数据库(http://www.arb-silva.de)进行比对,找出最相近且可信度达80%以上的种属信息。为了获得每个OTU系统发育分类学信息,将相似水平97%上每个OTU中的所有序列进行一致性归类分析,将同一个OTU中的不同序列的最近祖先的种属信息作为此OTU的系统发育种属信息。

    实施例1

    利用丙酸钠在絮状污泥中选择性培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群,步骤如下:

    (1)在密闭的CSTR反应器(有效容积为5L)中接种消化池底絮状污泥,浓度为4g VSS/L,加入BES溶液(BES相对污泥的使用浓度为5mmol/L)并搅拌混合均匀,培育4小时,加入50mL丙酸钠和稀硝酸混合液(质量比为10:1,稀硝酸浓度为10wt%),控制体系pH值为6.5,酸化培育12小时;而后以丙酸钠为碳源,COD为2500mg/L,以硝酸钾为氮源,由零开始,逐步提升基质中碳硝比(COD/NO3--N)并最终控制在121.47,在pH为6.8、温度35℃、20r/min搅拌条件下连续培养富集14天。

    (2)富集培养过程结束后,收集接种污泥和富集培养后污泥(5.0g湿重),抽提基因组总DNA并借助高通量测序技术对其16S rDNA片段测序,拼装后以有效序列数据(effective tags)表示其对应菌群中(OTUs)菌体个数。

    表1为连续培养过程中,丙酸氧化菌群类型及其序列数量和比例。

    表1丙酸氧化菌群类型及其序列数量和比例

    由表1可知,通过本发明方法的富集培养,絮状污泥中的丙酸氧化菌及其互营共生菌群以Syntrophobacter和Smithella为主,其数量(以序列数量计)在富集培养7天时,数量增加1.75倍,占全部菌群比例由接种时0.44%上升至1.21%,并随培养时间继续,其数量和菌群比例不断上升,在富集培养14天时,菌群比例上升至2.4%,比初始接种污泥中增加4.5倍,实现了菌群培养富集。

    富集培养后菌群用于丙酸降解效果的研究:

    借助序批实验开展富集培养前后絮状污泥丙酸降解效果研究,其中,体系中有20g湿重絮状污泥,150mL 100mg/L丙酸溶液和1.0mL微量元素使用液,投加碳酸氢钠控制体系pH为7.0,在35℃恒温水浴槽中连续培养12小时,间隔不等时间取样测定体系中丙酸含量;研究结果如图2所示,由图2可知,富集培养后絮状污泥体系中丙酸降解速率明显高于富集培养前,其体系总丙酸降解速率最大时为45.8mg/L·h,富集培养后体系中在8小时处,体系中残留有约3.6mg/L丙酸,在12小时处,体系中丙酸被完全降解,而富集培养前体系中在12小时处,仍残留有10.3mg/L丙酸。

    实施例2

    利用丙酸钠在颗粒污泥中选择性培养丙酸氧化菌及其互营共生菌群,步骤如下:

    (1)在密闭的CSTR反应器(有效容积为5L)中接种成熟厌氧颗粒污泥,浓度为5g VSS/L,加入BES溶液(相对污泥的使用浓度为10mmol/L)并搅拌混合均匀,培育8小时后,加入100mL丙酸钠和稀硝酸混合液(质量比为15:1,稀硝酸浓度为10wt%),控制体系pH值为6.0,酸化培育18小时;而后以丙酸钠为碳源,COD为4000mg/L,以硝酸钠为氮源,由零开始,逐步提升基质碳硝比(COD/NO3--N)值并最终控制在15.18,在pH为6.8、温度37℃、25r/min条件下连续培养富集15天。

    (2)富集培养过程结束后,收集接种污泥和富集培养后污泥(5.0g湿重),抽提基因组总DNA并借助高通量测序技术对其16S rDNA片段测序,拼装后以有效序列数据(effective tags)表示其对应菌群中(OTUs)菌体个数。

    表2为连续培养过程中,丙酸氧化菌群类型及其序列数量和比例。

    表2丙酸氧化菌群类型及其序列数量和比例

    由表2可知,通过本发明方法的富集培养,颗粒污泥中的丙酸氧化菌及其互营共生菌群以Syntrophobacter和Smithella为主,其数量(以序列数量计)在富集培养7天时,数量增加了0.31倍,占全部菌群比例由接种时1.02%上升至1.34%,并随培养时间继续,其数量和菌群比例不断上升,在富集培养14天时,菌群比例上升至2.51%,比初始接种污泥中增加1.29倍,实现了菌群培养富集。

    富集培养后菌群用于丙酸降解效果的研究:

    借助序批实验开展富集培养前后颗粒污泥丙酸降解效果的研究,其中体系中有20g湿重颗粒污泥,150mL 300mg/L丙酸溶液和1.0mL微量元素使用液,投加碳酸氢钠控制体系pH为7.0,在35℃恒温水浴槽中连续培养12小时,间隔不等时间取样测定体系中丙酸含量;由图3可知,富集培养后颗粒污泥体系中丙酸降解速率明显高于富集培养前,其体系总丙酸降解速率最大时为145.4mg/L·h,富集培养后体系中在8小时处,体系中残留有约4.3mg/L丙酸,在12小时处,体系中丙酸为1.1mg/L,而富集培养前体系中在12小时处,仍残留有15.2mg/L丙酸。

    实施例3

    不同基质COD/NO3--N值对培养富集丙酸氧化菌及其互营共生菌群的影响

    与实施例2中相同,不同在于:以丙酸钠为碳源,COD为4000mg/L,硝酸钠投加浓度分别为32.94mg/L、100.01mg/L、263.53mg/L、500.05mg/L和800.01mg/L(COD/NO3--N值为121.47、40.00、15.18、8.00和5.00)条件下连续培养15天。高通量测试分析对应条件下丙酸氧化菌数量和比例,不同基质COD/NO3--N值条件下丙酸氧化菌群类型及其序列数量和比例如表3所示。

    表3丙酸氧化菌群类型及其序列数量和比例

    由表3可知,通过本发明方法的富集培养,不同基质碳氮比(COD/NO3--N)条件下颗粒污泥中的丙酸氧化菌及其互营共生菌群均以Syntrophobacter和Smithella为主,菌群序列数量和比例与基质碳氮比(COD/NO3--N)密切相关,不同基质碳氮比(COD/NO3--N)条件下连续富集培养后,其中丙酸氧化菌及其互营共生菌群序列数量和比例均有所上升,在碳氮比为121.47时,连续培养后体系中菌群比例由初始时1.02%上升至1.82%;随着基质中碳氮比的提升,菌群比例也逐渐上升,在碳氮比为8.00基质中,连续培养富集后菌群比例为6.21%;在碳氮比条件5.00基质中,其菌群比例为5.96%,较碳氮比为8.00时略有下降,其富集效果依旧明显。

    关 键  词:
    一种 条件下 富集 培养 丙酸 氧化 及其 共生 方法
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