專利名稱：兼具脫氮除磷功能的木糖氧化無色桿菌及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一株木糖氧化無色桿菌(AchromcAacter xylosoxidans)及其在廢水處理中的應(yīng)用。該菌株具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的功能，可以在同步硝化反硝化脫氮的過程中，同時完成污水中含磷污染物的去除，從而達到生活污水同步生物脫氮除磷的目的。
背景技術(shù)：
隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，我國各類水體富營養(yǎng)化污染日益嚴(yán)重，藍藻赤潮問題頻發(fā)，對水體安全和人體健康造成了巨大的損害。氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)過剩是引發(fā)水體富營養(yǎng)化的根本原因，當(dāng)水體中N濃度> 0. aiig/l，P濃度> 0. 02mg/l時就會發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象。生活污水是氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的最大排放源；為此，我國一直致力于開發(fā)各種各樣的生活污水脫氮除磷工藝以從根本上防止富營養(yǎng)化問題的發(fā)生。生物脫氮技術(shù)是目前應(yīng)用最廣的污水脫氮技術(shù)，基本原理是在微生物的作用下將污水中的有機氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為隊的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應(yīng)過程。硝化反應(yīng)是由一群自養(yǎng)好氧微生物完成的，它分為兩個階段，分別由亞硝酸菌和硝酸菌兩種菌完成。第一步是由亞硝酸菌將NH4+氧化為NO”第二步是由硝酸菌將NO2-進一步氧化為N03_。 反硝化反應(yīng)是由一群異養(yǎng)型兼性厭氧微生物完成的，是指在無氧或低氧條件下，反硝化細菌將NO2-和NO3-還原為氮氣的過程。由上述基本原理可以看出，生物脫氮過程本身就存在著矛盾硝化反應(yīng)需要較長的污泥齡和好氧條件，大量有機物存在時會造成硝化細菌的流失；而反硝化細菌則需要較短的污泥齡和缺氧條件，高度依賴有機物為其脫氮過程提供電子供體。因硝化細菌和反硝化細菌生理機制的差異導(dǎo)致了基于該理論的污水脫氮技術(shù)工藝冗長，能耗大，占地面積大，且對環(huán)境變化非常敏感，脫氮效率不佳。污水除磷的方法有化學(xué)除磷、生物除磷以及生化除磷等?；瘜W(xué)除磷的基本原理是通過投加化學(xué)藥劑形成不溶性磷酸鹽沉淀物，最終通過固液分離的方法將磷從污水中去除，有石灰沉淀法及金屬鹽沉淀法。化學(xué)除磷操作簡單、除磷效果好、抗沖擊負荷能力強； 但是需要投加大量的化學(xué)藥劑，處理費用較高，并且會產(chǎn)生二次污染。生物除磷工藝是目前較為經(jīng)濟的除磷方法，其基本原理是聚磷菌(Poly-phosphate-Accumulatuing Organisms, PAOs)的吸/釋磷過程在厭氧條件下，PAOs分解細胞聚磷酸鹽的同時產(chǎn)生ATP，并利用ATP 將環(huán)境中的揮發(fā)性脂肪酸等小分子有機物攝入胞內(nèi)，將其以PHB(聚-β羥基丁酸鹽)及糖原等有機顆粒的形式存在于細胞內(nèi)，同時將聚磷酸鹽水解生成的正磷酸鹽(Po/—)排出細胞外；在好氧條件下，PAOs以氧氣為電子受體，利用PHB代謝釋放的能量，從污水中吸收超過其生長所需要的磷并以聚磷酸鹽的形式貯存在細胞體內(nèi)。通過排泥的方式將被細菌過量攝取的磷隨剩余污泥排出系統(tǒng)即可實現(xiàn)除磷的目的。生物脫氮除磷發(fā)生機制的差異導(dǎo)致了這兩個過程本身就是一個矛盾統(tǒng)一體，產(chǎn)生矛盾的根本原因是不同功能的微生物所需要的最佳生長條件不同。硝化需要長泥齡的硝化細菌和好氧條件，反硝化需要短泥齡的反硝化菌和缺氧條件，釋磷需要短泥齡的聚磷菌和厭氧條件，而吸磷則需要好氧條件。此外，反硝化菌和聚磷菌之間還存在著因生活污水中碳
3源不足而產(chǎn)生的競爭關(guān)系。生物脫氮除磷工藝的發(fā)展也主要是圍繞著在同一污水處理系統(tǒng)中實現(xiàn)脫氮與除磷的矛盾展開的。因這些固有矛盾的存在，造成了我國多數(shù)污水處理廠運行費用高、脫氮除磷效果不穩(wěn)定、達標(biāo)率較低，開發(fā)節(jié)能高效的城鎮(zhèn)污水處理工藝已迫在眉睫。近年來，生物脫氮除磷在技術(shù)與理論方面也有了新的進展和突破。在生物脫氮技術(shù)上，開發(fā)出了 SHARON、CANON、OLAND和ΑΝΝΑΜ0Χ等新型脫氮工藝，這些工藝在某種程度上解決了脫氮過程對碳源的依賴，但仍未擺脫好氧厭氧結(jié)合的兩段式生物脫氮的限制。異氧硝化-好氧反硝化菌能夠在單一好氧條件下完成污水中氮的去除，因此成為了近年來生物脫氮領(lǐng)域的研究熱點，經(jīng)過眾多研究者的努力，不斷開發(fā)出具有異氧硝化-好氧反硝化功會邑的微生物，如Pseudomonas Spp、Alcaligenes faecalis、Agrobacterium sp禾口Comamonas sp.。在生物除磷理論上，發(fā)現(xiàn)了特殊的反硝化聚磷菌(DPB)，其基本原理為在厭氧階段，DPB 充分利用環(huán)境中的揮發(fā)性脂肪酸等小分子有機物進行大量繁殖，同時水解細胞內(nèi)的聚磷酸鹽將產(chǎn)生的無機磷酸鹽排出細胞外，并利用此過程產(chǎn)生的ATP合成PHB貯存體內(nèi)；在缺氧階段，DPB以硝酸鹽氮作為氧化PHB的電子受體，降解PHB所產(chǎn)生的能量一部分用于維持生命活動，一部分則用于過量攝取水中無機磷酸鹽并以聚合磷酸鹽的形式儲存于細胞體內(nèi)，同時將硝酸鹽氮還原為氮氣。相比傳統(tǒng)除磷理論，反硝化除磷過程能夠節(jié)省一定的COD與曝氣量，進而減少了污泥產(chǎn)量。然而，無論是PAOs理論還是DPB理論，都需要好氧/缺氧/厭氧交替的環(huán)境來提供微生物的生長條件。本申請的發(fā)明人分離出一株木糖氧化無色桿菌(AchromcAacter xylosoxidans, ZL200910085187. 9)，發(fā)現(xiàn)其具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的能力；發(fā)明人進一步發(fā)現(xiàn)這種細菌在單一好氧條件下兼有除磷的能力。利用這類具有特殊性質(zhì)的細菌的生理特性和代謝機理，基于硝化過程可以是異養(yǎng)細菌的生理行為，而反硝化和除磷過程可以在好氧條件下進行，使得可以在同一好氧環(huán)境下完成脫氮除磷，能夠較好的克服上述提到的傳統(tǒng)工藝中存在的矛盾問題，由此完成了本發(fā)明。無論是異氧硝化-好氧反硝化生物脫氮理論還是PAOs/ DPB生物除磷理論，都是建立在單一的脫氮或除磷功能研究基礎(chǔ)之上，至今沒有研究表明一種微生物同時具有異氧硝化-好氧反硝化脫氮和除磷的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化和好氧攝磷能力的菌株及其在廢水處理中的應(yīng)用。本發(fā)明提供的木糖氧化無色桿菌(Achromobacter xylosoxidans)菌株已于2009 年3月19日保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心(簡稱CGMCC)，保藏號為 CGMCC Na 2964。本發(fā)明所提供的菌株，具有以下表型特征在33-40°C下，營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上培養(yǎng) 16-32h后，菌落表面光滑，無色素；通過革蘭氏染色后在顯微鏡下呈陰性，菌體呈桿狀，大小為(0. 5 1. 2) μ mX (0· 5 2· 6) μ m，細胞單個出現(xiàn)。本發(fā)明所提供的菌株，具有以下生理生化特征接觸酶、氧化酶、尿素酶反應(yīng)結(jié)果為陽性；不能夠進行纖維素水解反應(yīng)；MR和VP結(jié)果呈陰性；能夠以檸檬酸鈉為碳源進行生長；不能利用葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、甘露糖、果糖發(fā)酵。
該菌株的16S rRNA基因序列特征其16S rRNA具有如序列表中序列1所示的核苷酸序列，序列長度為1473bp。根據(jù)其形態(tài)特征和生理生化特征及其16S rRNA基因序列在Genbank中的檢索結(jié)果，鑒定該菌株為木糖氧化無色桿菌(Achromobacter xylosoxidans)。本發(fā)明所提供的木糖氧化無色桿菌(AchromcAacter xylosoxidans)能夠以有機物為電子受體，NH4+為電子供體，將NH4+氧化為NO2-或NO3-；能夠在好氧的條件下，以有機物為電子供體，N02_或N03_為電子受體，將其還原為氮氣；還能夠在好氧條件下，將無機磷攝入體內(nèi)轉(zhuǎn)化為自身組分進而實現(xiàn)去除污水中磷元素的目的。本發(fā)明所提供的木糖氧化無色桿菌(AchromcAacter xylosoxidans)可用于同步脫氮除磷，在實際應(yīng)用中，可將菌株置于廢水中實現(xiàn)氮磷同步去除的目的。所述廢水的碳氮比可為4-12，優(yōu)選為8-12.所述廢水的溫度可為20_40°C，優(yōu)選為20_30°C。所述廢水的pH可為6. 5-9. 5，優(yōu)選為7-8。本發(fā)明的木糖氧化無色桿菌及其應(yīng)用與現(xiàn)有技術(shù)相比較有如下有益效果(1)根據(jù)兼具異養(yǎng)硝化-好氧反硝化與除磷功能細菌的生理特征和代謝機理，實現(xiàn)了好氧條件下氮磷的同步去除，解決了傳統(tǒng)廢水處理中生物脫氮除磷需要采取厭氧釋磷、缺氧反硝化、好氧硝化吸磷分段處理的瓶頸問題；(2)硝化和反硝化偶聯(lián)進行，反硝化過程中產(chǎn)生的堿度可以很好的彌補硝化過程中產(chǎn)生的酸度，整個過程無需加堿調(diào)節(jié)PH ；相比自養(yǎng)硝化細菌，異養(yǎng)硝化細菌的生長速率快、細胞產(chǎn)率高，可以有效解決自養(yǎng)硝化細菌增值緩慢、系統(tǒng)水力停留時間長的問題；(3)脫氮和除磷同步進行，解決了反硝化菌和聚磷菌對碳源的競爭問題；(4)采用本發(fā)明，在傳統(tǒng)活性污泥法的二級生化處理系統(tǒng)，可以完成碳氮磷的同步去除，無須構(gòu)建新的反應(yīng)器，最大限度的簡化了工藝流程，節(jié)省了設(shè)備和投資的成本，因此， 具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益；(5)本發(fā)明適用于各種廢水的脫氮除磷處理，應(yīng)用前景廣闊，具有很好的社會效
■、Λ
frff. ο下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細描述。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，實施例僅僅是舉例說明的目的，本發(fā)明的范圍并不以具體實施方法為限，而是由權(quán)利要求的范圍加以限定。


附圖1木糖氧化無色桿菌(Achromobacterxylosoxidans)對磷酸鹽的降解曲線附圖2木糖氧化無色桿菌(AchromcAacterxylosoxidans)對氮素和磷酸鹽的降解曲線附圖3木糖氧化無色桿菌(AchromcAacterxylosoxidans)長期培養(yǎng)時對氮素的降解曲線附圖4木糖氧化無色桿菌(AchromcAacterxylosoxidans)長期培養(yǎng)時對磷酸鹽的降解曲線
具體實施例方式
實施例中各種污染物的監(jiān)測分析方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版，中國環(huán)境科學(xué)出版社，200 。溫度和溶解氧通過便攜式溶氧測定儀(YSI550A，USA)進行測定。污泥濃度(MLSQ和揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSQ根據(jù)重量法測定。
實施例中使用的各種單位，統(tǒng)一采用國家標(biāo)準(zhǔn)。實施實例1 木糖氧化無色桿菌AchromcAacter xylosoxidans在好氧條件下的除磷能力測定將木糖氧化無色桿菌(Achromobacter xylosoxidans)菌株(于2009年3月 19日保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心(簡稱CGMCC)，保藏號為 CGMCC No四64，下同)接種于IL的LB培養(yǎng)基中，防止雜菌的侵入并保持菌體的生長活力， 進行富集培養(yǎng)。將培養(yǎng)得到的菌液離心，用無菌水洗滌三次，制成光密度(0D_)為1-2的菌懸液。取5mL上述菌懸液加入兩個含有120mL測試培養(yǎng)基(每L含5g 丁二酸鈉， 0. 191 IgNH4Cl，0. 044g KH2PO4,0. 2g CaCl2 · 2Η20，0· 5g MgSO4 · 7Η20，0· 006g FeSO4 · 7H20, pH7. O 7. 5)的錐形瓶中，用9層紗布封口，30°C 150rpm的搖床中振蕩培養(yǎng)。未接種菌懸液的培養(yǎng)基進行同等條件下的實驗作為空白對照。于^!、iai、24h和3 取少量反應(yīng)液，其中一部分直接用于測定菌體光密度，其余部分在SOOOrpm下離心5min，取上清液測定磷酸根的濃度。實驗結(jié)果見附圖1。由圖可見，菌株木糖氧化無色桿菌(AchromcAacter xylosoxidans)在接種后菌體數(shù)量呈直線上升趨勢；并且隨著菌體數(shù)量的增長，磷酸鹽的濃度也在快速下降，在12h時去除率最大，達到100%。由此說明，在單一好氧條件下，本發(fā)明的木糖氧化無色桿菌(AchromcAacter xylosoxidans)菌株可較好地完成對磷酸鹽的高效去除。實施實例2 木糖氧化無色桿菌AchromcAacter xylosoxidans最佳除磷條件的確定采用搖瓶實驗的模式，依據(jù)正交實驗原理，以pH值、搖床培養(yǎng)溫度、搖床轉(zhuǎn)速和碳氮比四個因素為影響因子，建立了 4因素3水平共計9次正交試驗以確定菌株木糖氧化無色桿菌AchromcAacter xylosoxidans的最佳除磷條件。實驗中選用的培養(yǎng)基除去丁二酸鈉含量根據(jù)需要改變外，其余組分和濃度一律與實施例1相同。正交實驗設(shè)計及結(jié)果見表1所示。表1正交實驗設(shè)計及結(jié)果
權(quán)利要求
1.兼具異養(yǎng)硝化-好氧反硝化和除磷功能的菌株在廢水處理中的應(yīng)用，其特征是選用木糖氧化無色桿菌AchromcAacter xylosoxidans對廢水進行處理，實現(xiàn)同步脫氮和除磷的目標(biāo)。
2.權(quán)利要求1所述的木糖氧化無色桿菌AchromcAacterxylosoxidans，其特征在于 該木糖氧化無色桿菌菌株的16S rRNA基因具有如序列表SEQ ID 1所示的核苷酸序列，序列長度為147;3bp，其保藏號為CGMCC No.四64。
3.權(quán)利要求1所述的木糖氧化無色桿菌AchromcAacterxylosoxidans，其特征在于 在33-40°C下，營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上培養(yǎng)16-3 后，菌落表面光滑，無色素；通過革蘭氏染色后在顯微鏡下呈陰性，菌體呈桿狀，大小為(0. 5 1. 2) μ mX (0. 5 2. 6) μ m，細胞單個出現(xiàn)。
4.權(quán)利要求1所述的木糖氧化無色桿菌AchromcAacterxylosoxidans，其特征在于 能夠以有機物為電子受體，NH4+為電子供體，將NH4+氧化為NO2-或NO3-；能夠在好氧的條件下，以有機物為電子供體，N02_或N03_為電子受體，將其還原為氮氣；還能夠在好氧條件下， 將無機磷攝入體內(nèi)轉(zhuǎn)化為自身組分進而實現(xiàn)去除污水中磷元素的目的。
5.權(quán)利要求1所述的木糖氧化無色桿菌AchromcAacterxylosoxidans的應(yīng)用，其特征在于其所述的廢水的碳氮比范圍為4-12，優(yōu)選為8-12。
6.權(quán)利要求1所述的木糖氧化無色桿菌AchromcAacterxylosoxidans的應(yīng)用，其特征在于其所述的廢水的溫度范圍為20-40°C，優(yōu)選為20-30°C。
7.權(quán)利要求1所述的木糖氧化無色桿菌AchromcAacterxylosoxidans的應(yīng)用，其特征在于其所述的廢水的PH范圍為6. 5-9. 5，優(yōu)選為7-8。
8.權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征是利用木糖氧化無色桿菌AchromcAacter xylosoxidans或以其為活性成份微生物制劑對廢水進行處理，可在同一好氧環(huán)境下完成硝化、反硝化和除磷過程，進而實現(xiàn)氨氮、總氮及磷的同時去除。
全文摘要
本發(fā)明涉及一株兼具異養(yǎng)硝化-好氧反硝化與除磷功能的木糖氧化無色桿菌Achromobacter xylosoxidans在廢水處理中的應(yīng)用。該菌株可以利用有機碳為唯一碳源，氨氮為唯一氮源進行新陳代謝，通過異養(yǎng)硝化-好氧反硝化作用把氨氮直接轉(zhuǎn)為氣體產(chǎn)物，達到脫氮的目的；該菌株也能以硝酸鹽氮為唯一氮源，通過好氧反硝化作用將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物；還能在好氧條件下將無機磷攝入體內(nèi)轉(zhuǎn)化為自身組分進而實現(xiàn)去除污水中磷元素的目的。將該菌株應(yīng)用于廢水的處理，可實現(xiàn)單一好氧條件下氮磷的同步去除，較好解決了傳統(tǒng)廢水處理中生物脫氮除磷需要采取厭氧釋磷、缺氧反硝化、好氧硝化吸磷分段處理的難題，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C02F3/02GK102533623SQ201210056630
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者倪晉仁, 鄒仕強, 陳倩 申請人:北京大學(xué)