光源氮源和碳源对紫色非硫细菌生长特性的影响

中国环境科学2019,39(1)：290~297ChinaEnvironmentalScience光源、氮源和碳源对紫色非硫细菌生长特性的影响朱洪波,彭永臻*,马斌,南希,钱雯婷(北京工业大学,城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要：紫色非硫细菌(PNSB)能在厌氧光照条件下将污水中的氨氮、有机物和磷同化到细菌体内用于合成蛋白质等细胞物质,而不是转化为CO2和N2.为了优化PNSB的生长条件,以沼泽红假单胞菌为研究对象,考察了光源、氮源和碳源类型对PNSB生长的影响.结果表明厌氧红外光条件下PNSB的生长速率约是白炽灯条件下的3倍;PNSB对氨氮(NH4+-N)的利用速率最快,同时也可利用硝态氮(NO3--N),亚硝态氮(NO2--N);PNSB对乙酸钠的利用速率最快,其次是葡萄糖,最难利用的是淀粉,主要归因于大分子有机物需要水解酸化后才能被PNSB吸收利用.厌氧红外光条件下PNSB处理城市污水具有较好的应用前景.关键词：紫色非硫细菌；厌氧光照；污水处理；利用速率中图分类号：X172,X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)01-0290-08Effectsoflight,nitrogenandcarbononthegrowthcharacteristicsofpurplenon-sulfurbacteria.ZHUHong-bo,PENGYong-zhen*,MABin,NANXi,QIANWen-ting(NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentAndReusedTechnology,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(1)：290~297Abstract：Purplenon-sulfurbacteria(PNSB)canassimilateammonia,organicmatterandphosphorusinwastewaterintothecellbodytocompositeproteinsandothercellularsubstancesundertheconditionofanaerobicillumination,insteadofconvertingtoCO2andN2.InordertooptimizePNSBgrowthconditions,Rhodopseudomonaspalustriswasusedtostudytheeffectoflight,nitrogenandcarbononPNSBgrowthinthispaper.TheresultsshowedthatthePNSBgrowthrateunderanaerobicinfraredilluminationconditionsisapproximatelythreetimesthatofincandescentlamps.PNSBhasthefastestutilizationrateofammonia(NH4+-N)andcanutilizenitrate(NO3--N),nitrite(NO2--N).PNSBhasthefastestutilizationrateofsodiumacetate,followedbyglucoseandstarch.ThisisbecausemacromolecularorganicmattercanonlybefurtherutilizedbyPNSBafterbeinghydrolyzedandacidified.ItisapromisingtoapplyPNSBtowastewatertreatmentunderanaerobicinfraredilluminationconditions.Keywords：purplenon-sulfurbacteria(PNSB)；anaerobicillumination；wastewatertreatment；utilizationrate随着人口日益增加,污水排放量逐年增大.目前污水处理厂大都采用活性污泥法去除污水中的有机物、N、P等污染物,活性污泥法具有脱氮除磷效率高、成本较低等优势,但其剩余污泥产量大,且资源化率低.紫色非硫细菌(PNSB)在厌氧光照条件下,可通过光合作用将水中的有机物、硫化物、氨和磷合成生物体,从而实现将以上污染物从污水中脱除的目的.合成的PNSB菌体中蛋白含量高达80%,同时含有丰富的氨基酸、叶酸、B族维生素等,可作为肥料、饲料、饵料回收利用[1].传统生物脱氮工艺中,污水中的氮被转化为N2脱除.而厌氧光照下PNSB将污水中的氮转化为生物菌体,从而为氮的资源化利用提供了基础.污水中的有机物富集到PNSB体内后,可通过发酵产生甲烷实现资源化;污水中的磷也用于合成PNSB菌体,在发酵产甲烷阶段又被释放到上清液中,可通过投加镁离子形成磷酸氨镁,作为肥料回收再利用.综上可看出,PNSB可在污水处理的同时,将污水中的有机物、氮、磷同步资源化,为污水资源化提供了一种新途径.光是PNSB的能量来源,对菌体的生长影响较大.研究发现合适的光源可使沼泽红假单胞菌达到较高的细菌产量和类胡萝卜素含量同时使光照成本最小化[2].以不同的有机物作碳源时,菌体对其利用途径也不同,从而可能会影响PNSB生长速率;污水的预酸化,可以优化PNSB对有机物的吸收利用,收稿日期：2018-06-22基金项目：国家重点研发计划课题(2016YFC0401103);北京市教委科技计划一般项目(KM201710005001)*责任作者,教授,[e-mail]1期朱洪波等：光源、氮源和碳源对紫色非硫细菌生长特性的影响291提高PNSB对有机物和NH4+-N的去除率[3-4].不同的污水含有不同类型的氮污染物,城市生活污水主要含NH4+-N,钢铁污水主要含NO3--N,因此研究氮源类型对PNSB生长的影响,对于实际污水处理有重要意义.在利用光合细菌处理鸡粪污水的研究中发现光合细菌能够利用NH4+-N,同时也能够去除NO3--N[5].大多数研究都是基于白炽灯条件,而红外光照条件下PNSB的生长情况研究较少.为了提高PNSB处理污水的效率,需优化PNSB的生长条件,使菌体能够快速增长.本文探究了3种典型光源、氮源和碳源对沼泽红假单胞菌生长的影响,并对应用前景进行了讨论分析.1材料与方法1.1菌种沼泽红假单胞菌取自城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室.试验开始前菌种在60W白炽灯照射下富集培养一周,培养后菌种OD660为1.70.富集培养基初始pH值为6.7~7.3,配方见表1和表2.表1富集培养基成分及用量Table1Compositionanddosageoftheenrichmentmedium配制药剂投加量(mg/L)乙酸钠NH4ClKH2PO4CaCl2·2H2OMgCl2·6H2ONaClNa2CO3酵母膏蒸馏水微量元素液100030030050200002000100100010表2微量元素液成分Table2Compositionanddosageofthetraceelementsolution配制药剂投加量(mg/L)Na2-EDTAFeSO4·7H2OZnSO4·7H2OMnCl2·4H2OH3BO3CoCl2·2H2ONiCl2·6H2OCuCl2·2H2ONa2MoO4·2H2O50020010330202131.2分析项目与检测方法1.2.1光合细菌浓度采用光密度法,用UV-2100型紫外可见分光光度计在660nm波长下测定的吸光度值(OD660)表示[6].1.2.2常规水质指标检测亚硝酸盐氮:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;硝酸盐氮:麝香草酚分光光度法;溶解性正磷酸盐:钼锑抗分光光度法;pH值:采用德国WTWpH/oxi340i测定仪在线监测.COD:快速消解比色法,考虑NO2-对COD测量的影响,用式(1)计算COD:COD实际=COD测量-1.14NO2-(1)1.2.3细胞色素检测用体积比为丙酮:甲醇(7:2)有机溶剂提取类胡萝卜素(Crt)和细菌叶绿素(Bchl),使用分光光度计在波长为473nm和771nm测量吸光度值[7].根据式(2)和(3)计算:47310000(µg/g)250ASW×=××类胡萝卜素(2)77110000(µg/g)76ASW×=××结菌叶绿素(3)式中:A473和A771是在473nm和771nm处提取物的吸光度;S为显示器中使用的比色皿的路径长度cm;W为样品的湿重(g)除以最终提取物的体积mL.1.2.4生长速率和底物利用速率计算方法initialODOD(OD/h)tt−=Δ生长速率(4)initial(mg/L/h)ttρρ−=Δ利用速率(5)式中:ODt为t=16h时OD660值;ODinitial为t=10h时OD660值;ρinitial为t=10h时,底物的质量浓度,mg/L;ρt为t=16h时底物的质量浓度,mg/L.1.2.5活细胞吸收光谱测定方法取试验结束时的菌液共计3组,每组20mL,于50mL离心管,4000r/min,17℃条件下离心10min,倒去上清液将菌体用无菌水悬浮洗涤,离心重复3次.然后用20mL60%蔗糖溶液将光合细菌细胞悬浮成均匀的菌悬液.以60%蔗糖溶液为空白对照,UV-4802S紫外分光光度计在200~1100nm波长范围内扫描,每2nm测定光合细菌的活细胞吸光度值(OD值),每组测量3次,不同波长下的吸光度值为纵坐标,波长为横坐标,用Excel作出活细胞吸收光谱图[8-9].292中国环境科学39卷1.3批次试验向3个1L的SBR反应器中接种30%体积的菌液,初始OD660为0.50,投加模拟污水后COD:N:P=100:6:1[3];在30℃恒温箱中连续培养24h,光源与反应器的距离为20cm(图1).考察光源的影响时,设置40W红外灯,40W白炽灯和黑暗条件,乙酸钠作碳源,氨氮作氮源;考察氮源的影响时,光源均为40W红外灯,碳源均为乙酸钠,氮源分别为NH4+-N,NO2--N,NO3--N,其氮浓度均为60mg/L;考察碳源的影响时,光源均为40W红外灯,氮源均为氨氮,碳源分别为乙酸钠、葡萄糖、淀粉,其COD浓度均为1000mg/L.试验取初始样且从第10h开始,每隔2h取样一次.pHABCpHpH图1光合反应器装置Fig.1DiagramofphotosyntheticreactorA.红外光;B.白炽灯;C.黑暗环境2结果与讨论2.1不同光源对PNSB生长的影响前10h,PNSB生长处于延迟期,红外光、白炽灯和黑暗条件下的生长速率分别为0.040,0.022,0.004OD/h,细胞增殖速度较慢(图2A).延迟期COD,NH4+-N,PO43--P的平均利用率分别为8.1%,7.2%,9.4%,对底物的利用速率较慢(图2B,C,D).10~16h,PNSB处于对数增殖期,对底物的利用速率较快,约80%的底物在对数增殖期被利用.因此主要比较10~16h对数增殖期内的底物利用速率,说明光源种类对PNSB生长的影响.红外光条件下PNSB的生长速率以及对底物COD,NH4+-N,PO43--P的利用速率是白炽灯条件的3.02,1.90,2.06,2.25倍,是黑暗条件的9.77,2.04,3.45,2.88倍(表4).24h时红外光条件下细菌叶绿素的增长量是白炽灯和黑暗条件的1.27,3.12倍,细菌类胡萝素的增长量是白炽灯和黑暗条件的1