一株光合細(xì)菌的分離培養(yǎng)及對啤酒和制藥廢水處理的試驗(yàn)研究.pdf

1、光合細(xì)菌（PSB）在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用不僅是一種清潔、持續(xù)低成本的技術(shù)，而且是凈化水質(zhì)同時(shí)回收副產(chǎn)品這種有用資源最早的方法。隨著對污水處理工藝低成本和環(huán)境友好的現(xiàn)實(shí)需求，本課題旨在開發(fā)一種應(yīng)用于小型和中等規(guī)模工業(yè)的生物處理工藝。本研究從中國的沼澤土壤中提取了一株紫色非硫光合細(xì)菌，并對其進(jìn)行了形態(tài)、生理和營養(yǎng)需求鑒定，命名為Z08。從形態(tài)上看，分離出的光合細(xì)菌菌株是一種具有片狀內(nèi)膜系統(tǒng)、不運(yùn)動(dòng)、桿形的革蘭氏陰性菌。它能在瓊脂培養(yǎng)基上形成

2、一個(gè)2-3毫米直徑的光滑、圓形、暗紅色的菌落。它的生理和營養(yǎng)需求的試驗(yàn)表明，分離菌株能夠利用各種基質(zhì)作為碳源在各種環(huán)境中成倍增長。其最適生長溫度和pH值分別為30-35℃和6.0-8.0。它利用(NH4)2SO4和NaNO3作為氮源，能在有限的氧氣環(huán)境中增長繁殖。分離菌株在牛肉湯中比在僅有單一碳源的基本培養(yǎng)基中增長好?；罴?xì)胞的吸收光譜顯示出葉綠素a和類胡蘿卜素的最大吸收值。因?yàn)檫@些紫色非硫細(xì)菌的典型特性，所以這株分離出的Z08是一株典型

3、的光合細(xì)菌。最后，分離的Z08菌株由 GC-FAME（脂肪酸甲酯氣相色譜）系統(tǒng)地鑒定分析，它與球形紅假單胞菌（紅螺菌科）最為相似，相似性指數(shù)為0.85±0.05。使用分離出的Z08與幾個(gè)紫色非硫α-變形菌得到 W簇序列數(shù)據(jù)表明，分離出的Z08是一種很接近球形紅假單胞菌的未鑒定物種，它的中度表帶值為61.5％-62.5％。除了形態(tài)學(xué)和DNA分析，也進(jìn)行了生理分析來鑒定新菌株（Z08）是一種新的紫色非硫光合細(xì)菌（PNSB）。結(jié)果表明，菌株

4、Z08是嗜溫革蘭氏陰性桿形菌，其與紅螺菌科中的紅假單胞菌屬有很多共同特征。它需要維生素和基本培養(yǎng)基中的其他營養(yǎng)物質(zhì)來維持增長。
　　分離菌株經(jīng)過兩個(gè)星期的嚴(yán)格厭氧光照增殖后，在72小時(shí)的繁殖期后，在微好氧光照條件下迅速增長，而在嚴(yán)格好氧光照條件下遲鈍，足以說明該分離菌株在實(shí)驗(yàn)中黑暗好氧生長不需要色素，然而，我們認(rèn)為這株球形紅假單胞菌也能夠在不同環(huán)境條件下生長，因?yàn)樵摼鷮倌苁褂貌煌碾娮邮荏w。凍干球形紅假單胞菌 Z08的生物化學(xué)成分

5、顯示了單細(xì)胞的潛力。在其中發(fā)現(xiàn)的高粗蛋白含量（42％）是一種光合細(xì)菌生物量的典型特征，意味著能用于動(dòng)物飼料配方。球形紅假單胞菌 Z08的氨基酸組成包括賴氨酸、組氨酸、亮氨酸、蘇氨酸和纈氨酸。這些必需氨基酸被認(rèn)為與藻類、酵母、動(dòng)物和植物蛋白質(zhì)的相似。此外，凍干分離細(xì)胞的元素組成也與典型細(xì)胞進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，Z08是一個(gè)典型的細(xì)菌，其碳、氫、氮、氧、硫成分分別為45.5％、6.2％、13.2％、16.7％和0.78％。這些都是典型的一個(gè)

6、正常細(xì)胞構(gòu)成活細(xì)胞的元素組成。整個(gè)分離表明，野生光合細(xì)菌菌株 Z08是一個(gè)微好氧兼性紫色非硫光合細(xì)菌，它在營養(yǎng)物充足情況下能在不同環(huán)境中繁殖。
　　分離的光合細(xì)菌 Z08進(jìn)一步被用于兩種不同的工業(yè)廢水來生物降解，即有毒制藥廢水和高濃度啤酒廢水。該菌株在單級(jí)和雙級(jí)生物反應(yīng)器的人工啤酒廢水中光照異養(yǎng)生長。對于單級(jí)序批式光合生物反應(yīng)器（PBR）處理人工啤酒廢水來說，在光照強(qiáng)度4000lx下添加亞鐵離子和尿素到人工廢水中，并且不添加其余營

7、養(yǎng)物，能使在序批式光合生物反應(yīng)器中處理人工廢水的懸浮 Z08在72小時(shí)內(nèi)使 COD去除率從36%增長到大約80%。最初的人工模擬廢水缺乏營養(yǎng)，其總磷和總氮的比小于0.2。因此，該處理突出體現(xiàn)了三種獨(dú)立微量元素補(bǔ)充的影響，即鐵、鉬、鎂，以及混合微量元素與尿素對球形紅假單胞菌 Z08在不同輻射強(qiáng)度下生物降解高濃度有機(jī)廢水的性能的影響。有機(jī)污染物的最大去除率為亞鐵36.1％、鉬42.3％、鎂32.3％，其相應(yīng)的生物量為989.7、978.8和

8、888.6 mgl-1干重。添加的尿素增加了廢水的可生化性，即碳氮比從最初的200:1變化到200:5。同時(shí)添加的26 mg/L亞鐵和200 mgl-1尿素增強(qiáng)了細(xì)胞活性，導(dǎo)致有機(jī)物減少67.6％。并且，在光照強(qiáng)度4000lx情況下同時(shí)添加亞鐵和尿素也實(shí)現(xiàn)了污染物最佳去除，達(dá)到了COD、TP、TOC、TN去除率80%、48%、90%和67％。作為一個(gè)典型的序批式反應(yīng)器，其有機(jī)負(fù)荷低至約0.167kg/m3/d，然而，累積生物量和處理出水

9、的分析表明，添加物被細(xì)胞同化成為細(xì)胞成分。結(jié)果表明，經(jīng)過處理后，總氮和磷含量分別為67％和48％，而金屬離子被有機(jī)體顯著的吸收。此外，累積生物量和凈化廢水的分析表明，廢水的主要無機(jī)成分被同化，說明 Z08是金屬耐受物種，可承受不同的環(huán)境條件。這些結(jié)果說明，利用該分離菌株 Z08來生物降解高濃度有機(jī)廢水是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)闊o需污水處理單元中降低重金屬的深度處理。同時(shí)，在這兩個(gè)處理中累計(jì)生物量的化學(xué)分析表明約有50％的粗蛋白含量，表明它是一個(gè)單細(xì)

10、胞蛋白資源。
　　此外，分離出的Z08被應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水兩級(jí)生物處理中。在此試驗(yàn)階段，測定了有無厭氧預(yù)處理時(shí)微量和大量元素對人工模擬啤酒廢水處理的影響。分離菌株 Z08處理進(jìn)水（10000 mgl-1 COD）3天水力停留時(shí)間后產(chǎn)生826 mgl-1干重，其 COD、TN和TP分別減少27％、42％和17％。進(jìn)水中連續(xù)補(bǔ)充26 mgl-1亞鐵和200 mgl-1尿素，顯示出COD、TN、TP去除分別為42.3％、37％、22％

11、和51.3％、46％、41％，相應(yīng)的生物量為989.7和1350 mgl-1干重。沒有外部接種的進(jìn)水黑暗厭氧預(yù)處理產(chǎn)生的出水含有揮發(fā)性脂肪酸（134 mgl-1），COD下降了12％，總氮減少了10%，而總磷保持不變。利用分離菌株 Z08進(jìn)一步處理厭氧污水有很好的效果，污染物（COD、TN、TP）減少了40％、58％和27%，相應(yīng)菌體產(chǎn)量為1150 mgl-1干重。出水補(bǔ)充26 mgl-1亞鐵的處理結(jié)果是COD、TN、TP分別減少了32

12、％、37％和17％，相應(yīng)菌體產(chǎn)量從1150略微降到1058 mgl-1干重。出水中添加200 mgl-1尿素也對處理效果有較好的影響，COD、TN、TP減少了63.5％、68.9％和44.2％。在出水中添加200 mgl-1尿素，并使用發(fā)光二極管（LED）和緊湊型熒光燈源（CF）聯(lián)合產(chǎn)生光能時(shí)，取得最佳效果。這種方式取得了80％的COD去除，而單一的LED或 CFL僅有73.6％和68.5％。而且，LED和CFL的聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)了最好的光

13、轉(zhuǎn)換效率1.83％，而單用LED和CFL僅有1.43%和1.36％。亞鐵添加物添加至進(jìn)水比添加至有可溶性代謝產(chǎn)物存在的厭氧出水中更有利于污染物去除。二價(jià)鐵離子無法對厭氧出水產(chǎn)生積極影響的原因可能是可溶性代謝產(chǎn)物存在時(shí)與Fe2+絡(luò)合的化學(xué)抑制，以及最初廢水中TP大量存在的復(fù)合效應(yīng)。
　　微好氧時(shí)處理高濃度有機(jī)廢水的分離菌株 Z08的增長進(jìn)一步表明 Z08在實(shí)驗(yàn)廢水介質(zhì)中繁殖迅速，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沒有營養(yǎng)添加時(shí)繁殖與污染物降解不相符。

14、因此，廢水可生化性提高了，一是由于加入微量和大量元素，二是由于沒有額外接種的廢水厭氧預(yù)處理。在任一改進(jìn)的廢水處理?xiàng)l件下，Z08大量繁殖，同時(shí)將污染物轉(zhuǎn)化為菌體。累積生物量和由此產(chǎn)生的污水分析結(jié)果表明，添加物對環(huán)境沒有威脅，因?yàn)橛袡C(jī)體利用它們進(jìn)行內(nèi)部增長，并產(chǎn)生約0.4的生物量，這相當(dāng)于約0.5的傳統(tǒng)好氧活性污泥產(chǎn)量。這種現(xiàn)象暗示，Z08應(yīng)用在有機(jī)廢水處理工藝中可以減少處理非有機(jī)和剩余營養(yǎng)物的三級(jí)處理過程。Z08-廢水處理方法與其他生物污

15、水處理方法（如好氧活性污泥和厭氧處理方法）在下面幾個(gè)方面相比更有優(yōu)勢，其能量需求低，處理程度高，生物產(chǎn)量高，適度的營養(yǎng)需求，低毒性作用干擾，少量氣味產(chǎn)生和約20小時(shí)的短時(shí)間啟動(dòng)。關(guān)于使用Z08處理啤酒廢水的整體效果也可以被視為一級(jí)處理產(chǎn)生0.4和二級(jí)處理0.54。在任何處理過程中的產(chǎn)量都比常規(guī)厭氧活性污泥的0.05 mg/mg-COD大。這也能與好氧活性污泥處理產(chǎn)量0.5相比。雖然好氧活性污泥產(chǎn)量略高于Z08處理的，但是Z08有機(jī)廢水處

16、理方法比傳統(tǒng)的好氧活性污泥處理工藝有更多優(yōu)勢。Z08-生物質(zhì)可直接回收和并利用作單細(xì)胞蛋白，而好氧活性污泥處理產(chǎn)生有害物質(zhì)，需要額外的處理，為整個(gè)處理過程帶來額外的成本花費(fèi)?；旧嫌袡C(jī)廢水處理過程中Z08增加會(huì)導(dǎo)致資源再生。這個(gè)階段的整體結(jié)果表明，Z08已經(jīng)具有成為工業(yè)廢水處理工藝的潛力，并能承受高濃度有機(jī)負(fù)荷。
　　為進(jìn)一步調(diào)查 Z08承受不同環(huán)境的能力，在有毒制藥廢水中測試分離的Z08。原制藥廢水的GC-MS分析表明廢水飽含碳

17、水化合物，而 FTIR的分析表明存在醇、酚和包括酰胺的芳香族化合物。如果廢水處理前不進(jìn)行徹底凈化，所有這些基質(zhì)除了對傳統(tǒng)的生物處理過程產(chǎn)生阻礙外，還對水生生物有毒。最后，上述發(fā)現(xiàn)的GC分析結(jié)果表明產(chǎn)生了 C2-C4的化合物，它顯示出醇類和有機(jī)酸的存在。眾所周知，酒精抑制細(xì)菌生長，這也增加了直接利用微生物降解制藥廢水的限制，因而被作為利用Z08進(jìn)行生物降解的主要考慮因素。PNSB利用乙醇作為輔助電子供體。在制藥廢水試驗(yàn)中，反應(yīng)裝置采用懸浮

18、生長式光生物反應(yīng)器（PBR），其外部兩側(cè)分別使用兩個(gè)熒光燈（40W）燈源照射。它的操作 pH值和溫度為6.8-7.0和20-30℃。120小時(shí)沒有添加物時(shí)，在25％的最佳稀釋廢水中顯示了約40％的COD去除率。實(shí)驗(yàn)廢水介質(zhì) COD高、BOD5低，因此 BOD5和COD比值約0.05，顯示出傳統(tǒng)生物處理工藝無法進(jìn)行。此外，作為化學(xué)工藝廢水的實(shí)驗(yàn)廢水樣品，其總氮值約530 mgl-1，這不符合廢水生物處理的碳氮比。因此，需要(NH4)2SO

19、4或 NaNO3作為添加營養(yǎng)物時(shí)，選擇銨或硝酸鹽作為實(shí)驗(yàn)營養(yǎng)物基于Z08利用他們進(jìn)行細(xì)胞增長的事實(shí)。微厭氧-光照條件下光強(qiáng)為6000lx時(shí)，向制藥廢水中添加0.5%的(NH4)2SO4，0.1%的酵母膏，經(jīng)過5天的處理后，達(dá)到 COD最佳降解率。使用這些最佳條件，最大細(xì)胞干重和化學(xué)需氧量減少率為880 mgl-1和80％。雖然有機(jī)負(fù)荷率（ OLR）為0.100kg/m3/d，但是 Z08生長后進(jìn)水和出水的GC-MS分析顯示，進(jìn)水中難降解