光源、氮源和碳源對紫色非硫細菌生長特性的影響

朱洪波,彭永臻,馬 斌,南 希,錢雯婷

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光源、氮源和碳源對紫色非硫細菌生長特性的影響

朱洪波,彭永臻*,馬 斌,南 希,錢雯婷

(北京工業大學,城鎮污水深度處理與資源化利用技術國家工程實驗室,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124)

紫色非硫細菌(PNSB)能在厭氧光照條件下將污水中的氨氮、有機物和磷同化到細菌體內用于合成蛋白質等細胞物質,而不是轉化為CO2和N2.為了優化PNSB的生長條件,以沼澤紅假單胞菌為研究對象,考察了光源、氮源和碳源類型對PNSB生長的影響.結果表明厭氧紅外光條件下PNSB的生長速率約是白熾燈條件下的3倍;PNSB對氨氮(NH4+-N)的利用速率最快,同時也可利用硝態氮(NO3--N),亞硝態氮(NO2--N);PNSB對乙酸鈉的利用速率最快,其次是葡萄糖,最難利用的是淀粉,主要歸因于大分子有機物需要水解酸化后才能被PNSB吸收利用.厭氧紅外光條件下PNSB處理城市污水具有較好的應用前景.

紫色非硫細菌；厭氧光照；污水處理；利用速率

隨著人口日益增加,污水排放量逐年增大.目前污水處理廠大都采用活性污泥法去除污水中的有機物、N、P等污染物,活性污泥法具有脫氮除磷效率高、成本較低等優勢,但其剩余污泥產量大,且資源化率低.

紫色非硫細菌(PNSB)在厭氧光照條件下,可通過光合作用將水中的有機物、硫化物、氨和磷合成生物體,從而實現將以上污染物從污水中脫除的目的.合成的PNSB菌體中蛋白含量高達80%,同時含有豐富的氨基酸、葉酸、B族維生素等,可作為肥料、飼料、餌料回收利用[1].傳統生物脫氮工藝中,污水中的氮被轉化為N2脫除.而厭氧光照下PNSB將污水中的氮轉化為生物菌體,從而為氮的資源化利用提供了基礎.污水中的有機物富集到PNSB體內后,可通過發酵產生甲烷實現資源化;污水中的磷也用于合成PNSB菌體,在發酵產甲烷階段又被釋放到上清液中,可通過投加鎂離子形成磷酸氨鎂,作為肥料回收再利用.綜上可看出,PNSB可在污水處理的同時,將污水中的有機物、氮、磷同步資源化,為污水資源化提供了一種新途徑.

光是PNSB的能量來源,對菌體的生長影響較大.研究發現合適的光源可使沼澤紅假單胞菌達到較高的細菌產量和類胡蘿卜素含量同時使光照成本最小化[2].以不同的有機物作碳源時,菌體對其利用途徑也不同,從而可能會影響PNSB生長速率;污水的預酸化,可以優化PNSB對有機物的吸收利用,提高PNSB對有機物和NH4+-N的去除率[3-4].不同的污水含有不同類型的氮污染物,城市生活污水主要含NH4+-N,鋼鐵污水主要含NO3--N,因此研究氮源類型對PNSB生長的影響,對于實際污水處理有重要意義.在利用光合細菌處理雞糞污水的研究中發現光合細菌能夠利用NH4+-N,同時也能夠去除NO3--N[5].大多數研究都是基于白熾燈條件,而紅外光照條件下PNSB的生長情況研究較少.

為了提高PNSB處理污水的效率,需優化PNSB的生長條件,使菌體能夠快速增長.本文探究了3種典型光源、氮源和碳源對沼澤紅假單胞菌生長的影響,并對應用前景進行了討論分析.

1 材料與方法

1.1 菌種

沼澤紅假單胞菌取自城鎮污水深度處理與資源化利用技術國家工程實驗室.試驗開始前菌種在60W白熾燈照射下富集培養一周,培養后菌種OD660為1.70.富集培養基初始pH值為6.7~7.3,配方見表1和表2.

表1 富集培養基成分及用量

表2 微量元素液成分

1.2 分析項目與檢測方法

1.2.1 光合細菌濃度 采用光密度法,用UV-2100型紫外可見分光光度計在660nm波長下測定的吸光度值(OD660)表示[6].

1.2.2 常規水質指標檢測 亞硝酸鹽氮:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;硝酸鹽氮:麝香草酚分光光度法;溶解性正磷酸鹽:鉬銻抗分光光度法;pH值:采用德國WTW pH/oxi 340i測定儀在線監測.COD:快速消解比色法,考慮NO2-對COD測量的影響,用式(1)計算COD:

COD實際=COD測量-1.14NO2-(1)

1.2.3 細胞色素檢測 用體積比為丙酮:甲醇(7:2)有機溶劑提取類胡蘿卜素(Crt)和細菌葉綠素(Bchl),使用分光光度計在波長為473nm和771nm測量吸光度值[7].根據式(2)和(3)計算:

式中:473和771是在473nm和771nm處提取物的吸光度;為顯示器中使用的比色皿的路徑長度cm;為樣品的濕重(g)除以最終提取物的體積mL.

1.2.4 生長速率和底物利用速率計算方法

式中: OD為=16h時OD660值; ODinitial為=10h時OD660值;initial為=10h時,底物的質量濃度,mg/L;ρ為=16h時底物的質量濃度,mg/L.

1.2.5 活細胞吸收光譜測定方法 取試驗結束時的菌液共計3組,每組20mL,于50mL離心管, 4000r/min, 17℃條件下離心10min,倒去上清液將菌體用無菌水懸浮洗滌,離心重復3次.然后用20mL 60%蔗糖溶液將光合細菌細胞懸浮成均勻的菌懸液.以60%蔗糖溶液為空白對照,UV- 4802S紫外分光光度計在200~1100nm波長范圍內掃描,每2nm測定光合細菌的活細胞吸光度值(OD值),每組測量3次,不同波長下的吸光度值為縱坐標,波長為橫坐標,用Excel作出活細胞吸收光譜圖[8-9].

1.3 批次試驗

向3個1L的SBR反應器中接種30%體積的菌液,初始OD660為0.50,投加模擬污水后COD:N:P= 100:6:1[3];在30℃恒溫箱中連續培養24h,光源與反應器的距離為20cm(圖1).考察光源的影響時,設置40W紅外燈,40W白熾燈和黑暗條件,乙酸鈉作碳源,氨氮作氮源;考察氮源的影響時,光源均為40W紅外燈,碳源均為乙酸鈉,氮源分別為NH4+-N, NO2--N,NO3--N,其氮濃度均為60mg/L;考察碳源的影響時,光源均為40W紅外燈,氮源均為氨氮,碳源分別為乙酸鈉、葡萄糖、淀粉,其COD濃度均為1000mg/L.試驗取初始樣且從第10h開始,每隔2h取樣一次.

圖1 光合反應器裝置

A.紅外光;B.白熾燈;C.黑暗環境

2 結果與討論

2.1 不同光源對PNSB生長的影響

前10h,PNSB生長處于延遲期,紅外光、白熾燈和黑暗條件下的生長速率分別為0.040,0.022, 0.004OD/h,細胞增殖速度較慢(圖2A).延遲期COD, NH4+-N, PO43--P的平均利用率分別為8.1%,7.2%, 9.4%,對底物的利用速率較慢(圖2B,C,D).10~16h, PNSB處于對數增殖期,對底物的利用速率較快,約80%的底物在對數增殖期被利用.因此主要比較10~16h對數增殖期內的底物利用速率,說明光源種類對PNSB生長的影響.

紅外光條件下PNSB的生長速率以及對底物COD,NH4+-N,PO43--P的利用速率是白熾燈條件的3.02,1.90,2.06,2.25倍,是黑暗條件的9.77,2.04,3.45, 2.88倍(表4).24h時紅外光條件下細菌葉綠素的增長量是白熾燈和黑暗條件的1.27,3.12倍,細菌類胡蘿素的增長量是白熾燈和黑暗條件的1.19,3.07倍(圖2E).紅外光明顯促進了細菌的增殖,提高了PNSB對底物的利用速率,同時增加了細胞色素的含量.李家洲等[10]研究也發現相對于可見光,近紅外光對光合細菌的生長有明顯促進作用,可使最大菌體濃度提高45%以上.

A.生長曲線;B.COD變化曲線;C. NH4+-N變化曲線;D. PO43--P變化曲線;E.色素增長量;F.細胞吸收光譜圖

光合細菌的光合電子傳遞鏈一般是由細菌葉綠素、脫鎂葉綠素、苯醌、鐵硫蛋白以及細胞色素b、細胞色素c組成.光合細菌的光色素蛋白復合體吸收光能后,表面電子被激發,開始了一系列的電子傳遞,產生ATP用于細胞代謝.細菌葉綠素和類胡蘿卜素是主要的捕光色素,吸收波長分別為715~ 1050nm,450~550nm[8-9].近紅外光的波長范圍為750~1500nm,與細菌葉綠素的吸收波長接近.可見光的波長范圍為400~750nm,與細菌類胡蘿卜素的波長范圍接近.

波長800nm和858nm處有2處明顯的吸收峰且吸光度值較大,說明近紅外光范圍的波長促進了細菌葉綠素的合成;在波長492nm,594nm處有兩處明顯吸收峰,說明可見光范圍內的波長促進了細菌類胡蘿卜素的合成(圖2F).與此結果類似,安靜[11]發現PNSB單菌株F1、F5、F7和F11在375nm,590nm 處有最大吸收峰,混合光合產氫菌群在可見光380nm,490nm,590nm附近有4個吸收峰,此外在800nm,860nm附近也有明顯的吸收峰,表明光合產氫菌群含有菌綠素a和細菌類胡蘿卜素,菌群也能吸收紅外光.全波長掃描的結果可以看出,紅外光條件下吸收峰的吸光度值明顯高于白熾燈和黑暗條件,所以紅外光更能促進PNSB細胞色素的合成,進而促進細胞增殖.因此PNSB在紅外光下的生長速率和底物利用速率高于白熾燈和黑暗條件.此外,將光合細菌生長階段維持在對數增殖期可提高污水處理效率.

在實際污水處理中紅外光可作為最佳光源,提高污水處理效率,縮短水力停留時間,減少構筑物的占地面積,降低污水處理的運行費用.但紅外燈的造價較高,光功率、受光面積、透光率等對反應速率也有影響,具體的運行參數還需要進一步優化.

表4 10~16h不同光源下PNSB對底物的利用速率

2.2 不同氮源對PNSB生長的影響

10~16h,NH4+-N作為氮源時PNSB的生長速率及對底物的利用速率高于NO2--N和NO3--N(圖3A,B,C,D).PNSB對NH4+-N的利用速率是NO2--N, NO3--N的2.02,1.36倍.NH4+-N作氮源時,PNSB的生長速率及對COD和PO43--P的利用速率分別是NO2--N作氮源時的2.43,2.67,3.41倍,分別是NO3--N作氮源時的1.49,1.48,5.14倍(表5);24h時細菌葉綠素的增長量分別是NO2--N和NO3--N的4.55,3.18倍;細菌類胡蘿卜素的增長量分別是NO2--N和NO3--N的2.11,1.35倍(圖3F).因此NH4+-N作為唯一氮源條件下,PNSB的生長速率及對NH4+-N的利用速率最快.

反硝化過程中NO--N的還原是通過反硝化菌的同化作用和異化作用來完成的.同化作用中NO--N被還原為NH4+-N,用于合成微生物細胞,氮成為細胞質成分.異化作用是NO--N被還原成NO,N2O和N2等氣體.異化作用去除的氮約占總去除量的70%~75%[12].根據微生物細胞組織的化學式C5H10O2NP0.1計算得NH4+-N,NO3--N和NO2--N被同化為細胞物質的比例為86.52%,76.76%,77.01%,因此PNSB主要通過同化作用利用這3種無機氮.

A.生長曲線;B.COD變化曲線;C.N變化曲線;D.PO43--P變化曲線;E.NO2--N積累情況;F.色素增長量

NH4+-N可直接參與細胞合成代謝,所以NH4Cl作為氮源時,PNSB對底物的利用速率最快,細胞色素含量最高.碳源充足的條件下,隨著反應的進行NO2--N和NO3--N不斷被利用,但PNSB對NO3--N的利用速率約為NO2--N的1.5倍,說明了與NO2--N相比,NO3--N更易被PNSB利用.以KNO3作氮源時,PNSB先將NO3--N轉化為NO2--N,再以NO2--N為氮源繼續進行反應整個反應分兩步進行(圖3E).試驗中出現NO2--N積累,可能是PNSB對NO3--N和NO2--N利用速率不同造成的.

通過試驗研究發現,PNSB對NH4+-N的利用速率大于NO2--N和NO3--N,但結果也表明了利用PNSB處理硝酸鹽和亞硝酸鹽污水具有可行性.李曉玲等[13]對5株紅假單胞菌和2株紅螺菌脫氮條件研究表明乳酸等底物作碳源時,在厭氧條件下可利用NO3--N和NO2--N作電子受體產生N2,菌株具有脫氮作用.蔣鵬等[14]研究發現光合細菌YL28菌株也能以氨氮、亞硝態氮和硝態氮為唯一氮源生長,能良好地去除無機氮且對亞硝態氮具有同化和轉化能力.

表5 10~16h不同氮源下PNSB對底物的利用速率

2.3 不同碳源對PNSB生長的影響

10~16h, PNSB對乙酸鈉的利用速率明顯高于葡萄糖和淀粉(圖4A,B,C,D).乙酸鈉作碳源時,PNSB的生長速率及對底物COD,N,P利用速率是葡萄糖的8.41,5.60,4.50,3.36倍,是淀粉的15.68,6.27,4.40, 3.14倍(表6);24h時細菌類胡蘿卜素增長量是葡萄糖的2.13倍,是淀粉的3.71倍;細菌葉綠素增長量是葡萄糖的1.95倍是淀粉的4.16倍(圖4E).因此乙酸鈉作碳源時,PNSB生長速率及對底物的利用速率最快.

通過24h內不同碳源下PNSB生長過程中pH值變化可以看出,葡萄糖和淀粉均存在水解酸化作用,且葡萄糖的水解程度高于淀粉(圖4F).所以PNSB在利用葡萄糖和淀粉等大分子有機物時,水解酸化為小分子物質后才能進一步被利用.盧玉鳳等[15]利用球形紅假單胞菌處理制糖廢水的研究表明,光合細菌直接處理制糖廢水的效果不佳,添加小分子物質可以促進其處理效果,蘋果酸為最佳的小分子物質,能提高COD的去除率.鄭偉華等[16]利用光合細菌處理高濃度淀粉廢水過程中,在水解酸化階段添加10%的生活污水,增加了廢水中微生物的多樣性,使得大分子有機物快速降解為小分子,提高了COD的去除率.

表6 10~16h不同碳源下PNSB對底物的利用速率

A.生長曲線;B.COD變化曲線;C.NH4+-N變化曲線;D.PO43--P變化曲線;E.色素增長量;F.pH值變化曲線

乙酸鈉作為一種簡單的有機物,可直接參與到細胞代謝過程被迅速利用,而大分子的葡萄糖和淀粉難以被細胞直接利用.因此在處理含有大分子有機物的污水時,增加預酸化處理可以提高PNSB的生長速率以及COD的利用速率.

2.4 紅外光下利用PNSB處理城市污水的應用前景

針對PNSB能夠快速處理有機污水的特點,本文提出一種實現城市污水處理與資源化的新工藝(圖5).污水經過厭氧MBR反應器在紅外條件下利用PNSB處理后可達標排放,膜生物反應器將菌體截留.MBR反應器中排出的菌泥可以進行厭氧消化發酵產酸產CH4,菌體經處理后可作動植物肥料,實現有機物的資源化利用.

圖5 氮素循環及PNSB的污水處理工藝

1.PNSB反應器;2.污泥發酵裝置;3.PNSB工藝流程

與傳統的硝化反硝化等污水處理工藝相比,本工藝節約了100%的曝氣能耗,并且不產生CO2,N2O等溫室氣體.工業生產1t氮肥的耗電量,相當于產生了4~8t的CO2,另外大量使用工業生產的氮肥會造成水體富營養化[17].利用PNSB處理城市污水的工藝,可回收污水中的氨氮,將其轉化為氮肥、蛋白質等能源進行再利用,實現了氮素的自給,而且光合細菌不會對水體造成污染.有研究表明利用光合細菌處理1m3有機污水可節約0.36kW能量輸入(照明面積為20W/m2,18m2/m3),同時產生80％的生物量以及65%的蛋白質,收獲的生物量價值超過300美元/t,與大豆價值相當.光合細菌生物質甚至可以用于補充傳統水產養殖飼料中的部分魚粉[18].因此紅外光下利用PNSB不僅可實現城市污水的高效處理,而且可以實現氮素的資源化利用,一定程度上可降低人工固氮成本和污水廠的運行費用.

3 結論

3.1 紅外光條件下PNSB的生長速率高于白熾燈和黑暗條件,約是白熾燈條件下的3倍,紅外光下利用PNSB處理污水更高效.

3.2 NH4+-N作氮源時,PNSB對底物的利用速率最快,利用PNSB處理硝酸鹽和亞硝酸鹽污水具有可行性.

3.3 乙酸鈉作碳源時,PNSB對底物的利用速率最快,葡萄糖、淀粉等大分子有機物需要水解酸化為小分子后才能被有效利用.

3.4 紅外光下利用紫色非硫細菌處理城市污水具有可行性.

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Effects of light, nitrogen and carbon on the growth characteristics of purple non-sulfur bacteria.

ZHU Hong-bo, PENG Yong-zhen*, MA Bin, NAN Xi, QIAN Wen-ting

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment And Reused Technology, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2019,39(1)：290~297

Purple non-sulfur bacteria (PNSB) can assimilate ammonia, organic matter and phosphorus in wastewater into the cell body to composite proteins and other cellular substances under the condition of anaerobic illumination, instead of converting to CO2and N2. In order to optimize PNSB growth conditions, Rhodopseudomonas palustris was used to study the effect of light, nitrogen and carbon on PNSB growth in this paper. The results showed that the PNSB growth rate under anaerobic infrared illumination conditions is approximately three times that of incandescent lamps. PNSB has the fastest utilization rate of ammonia (NH4+-N) and can utilize nitrate (NO3--N), nitrite (NO2--N). PNSB has the fastest utilization rate of sodium acetate, followed by glucose and starch. This is because macromolecular organic matter can only be further utilized by PNSB after being hydrolyzed and acidified. It is a promising to apply PNSB to wastewater treatment under anaerobic infrared illumination conditions.

purple non-sulfur bacteria (PNSB)；anaerobic illumination；wastewater treatment；utilization rate

X172,X703.1

A

1000-6923(2019)01-0290-08

朱洪波(1994-),男,河南正陽人,北京工業大學環境與能源工程學院碩士研究士,主要從事污水脫氮研究.發表論文2篇.

2018-06-22

國家重點研發計劃課題(2016YFC0401103);北京市教委科技計劃一般項目(KM201710005001)

* 責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn