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



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)

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.

紫色非硫细菌；厌氧光照；污水处理；利用速率

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,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

表2 微量元素液成分

1.2 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WTW pH/oxi 340i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:

式中:473和771是在473nm和771nm处提取物的吸光度;为显示器中使用的比色皿的路径长度cm;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

式中: OD为=16h时OD660值; ODinitial为=10h时OD660值;initial为=10h时,底物的质量浓度,mg/L;ρ为=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20mL 60%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].

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.

图1 光合反应器装置

A.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1.19,3.07倍(图2E).红外光明显促进了细菌的增殖,提高了PNSB对底物的利用速率,同时增加了细胞色素的含量.李家洲等[10]研究也发现相对于可见光,近红外光对光合细菌的生长有明显促进作用,可使最大菌体浓度提高45%以上.

A.生长曲线;B.COD变化曲线;C. NH4+-N变化曲线;D. PO43--P变化曲线;E.色素增长量;F.细胞吸收光谱图

光合细菌的光合电子传递链一般是由细菌叶绿素、脱镁叶绿素、苯醌、铁硫蛋白以及细胞色素b、细胞色素c组成.光合细菌的光色素蛋白复合体吸收光能后,表面电子被激发,开始了一系列的电子传递,产生ATP用于细胞代谢.细菌叶绿素和类胡萝卜素是主要的捕光色素,吸收波长分别为715~ 1050nm,450~550nm[8-9].近红外光的波长范围为750~1500nm,与细菌叶绿素的吸收波长接近.可见光的波长范围为400~750nm,与细菌类胡萝卜素的波长范围接近.

波长800nm和858nm处有2处明显的吸收峰且吸光度值较大,说明近红外光范围的波长促进了细菌叶绿素的合成;在波长492nm,594nm处有两处明显吸收峰,说明可见光范围内的波长促进了细菌类胡萝卜素的合成(图2F).与此结果类似,安静[11]发现PNSB单菌株F1、F5、F7和F11在375nm,590nm 处有最大吸收峰,混合光合产氢菌群在可见光380nm,490nm,590nm附近有4个吸收峰,此外在800nm,860nm附近也有明显的吸收峰,表明光合产氢菌群含有菌绿素a和细菌类胡萝卜素,菌群也能吸收红外光.全波长扫描的结果可以看出,红外光条件下吸收峰的吸光度值明显高于白炽灯和黑暗条件,所以红外光更能促进PNSB细胞色素的合成,进而促进细胞增殖.因此PNSB在红外光下的生长速率和底物利用速率高于白炽灯和黑暗条件.此外,将光合细菌生长阶段维持在对数增殖期可提高污水处理效率.

在实际污水处理中红外光可作为最佳光源,提高污水处理效率,缩短水力停留时间,减少构筑物的占地面积,降低污水处理的运行费用.但红外灯的造价较高,光功率、受光面积、透光率等对反应速率也有影响,具体的运行参数还需要进一步优化.

表4 10~16h不同光源下PNSB对底物的利用速率

2.2 不同氮源对PNSB生长的影响

10~16h,NH4+-N作为氮源时PNSB的生长速率及对底物的利用速率高于NO2--N和NO3--N(图3A,B,C,D).PNSB对NH4+-N的利用速率是NO2--N, NO3--N的2.02,1.36倍.NH4+-N作氮源时,PNSB的生长速率及对COD和PO43--P的利用速率分别是NO2--N作氮源时的2.43,2.67,3.41倍,分别是NO3--N作氮源时的1.49,1.48,5.14倍(表5);24h时细菌叶绿素的增长量分别是NO2--N和NO3--N的4.55,3.18倍;细菌类胡萝卜素的增长量分别是NO2--N和NO3--N的2.11,1.35倍(图3F).因此NH4+-N作为唯一氮源条件下,PNSB的生长速率及对NH4+-N的利用速率最快.

反硝化过程中NO--N的还原是通过反硝化菌的同化作用和异化作用来完成的.同化作用中NO--N被还原为NH4+-N,用于合成微生物细胞,氮成为细胞质成分.异化作用是NO--N被还原成NO,N2O和N2等气体.异化作用去除的氮约占总去除量的70%~75%[12].根据微生物细胞组织的化学式C5H10O2NP0.1计算得NH4+-N,NO3--N和NO2--N被同化为细胞物质的比例为86.52%,76.76%,77.01%,因此PNSB主要通过同化作用利用这3种无机氮.

A.生长曲线;B.COD变化曲线;C.N变化曲线;D.PO43--P变化曲线;E.NO2--N积累情况;F.色素增长量

NH4+-N可直接参与细胞合成代谢,所以NH4Cl作为氮源时,PNSB对底物的利用速率最快,细胞色素含量最高.碳源充足的条件下,随着反应的进行NO2--N和NO3--N不断被利用,但PNSB对NO3--N的利用速率约为NO2--N的1.5倍,说明了与NO2--N相比,NO3--N更易被PNSB利用.以KNO3作氮源时,PNSB先将NO3--N转化为NO2--N,再以NO2--N为氮源继续进行反应整个反应分两步进行(图3E).试验中出现NO2--N积累,可能是PNSB对NO3--N和NO2--N利用速率不同造成的.

通过试验研究发现,PNSB对NH4+-N的利用速率大于NO2--N和NO3--N,但结果也表明了利用PNSB处理硝酸盐和亚硝酸盐污水具有可行性.李晓玲等[13]对5株红假单胞菌和2株红螺菌脱氮条件研究表明乳酸等底物作碳源时,在厌氧条件下可利用NO3--N和NO2--N作电子受体产生N2,菌株具有脱氮作用.蒋鹏等[14]研究发现光合细菌YL28菌株也能以氨氮、亚硝态氮和硝态氮为唯一氮源生长,能良好地去除无机氮且对亚硝态氮具有同化和转化能力.

表5 10~16h不同氮源下PNSB对底物的利用速率

2.3 不同碳源对PNSB生长的影响

10~16h, PNSB对乙酸钠的利用速率明显高于葡萄糖和淀粉(图4A,B,C,D).乙酸钠作碳源时,PNSB的生长速率及对底物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时细菌类胡萝卜素增长量是葡萄糖的2.13倍,是淀粉的3.71倍;细菌叶绿素增长量是葡萄糖的1.95倍是淀粉的4.16倍(图4E).因此乙酸钠作碳源时,PNSB生长速率及对底物的利用速率最快.

通过24h内不同碳源下PNSB生长过程中pH值变化可以看出,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(图4F).所以PNSB在利用葡萄糖和淀粉等大分子有机物时,水解酸化为小分子物质后才能进一步被利用.卢玉凤等[15]利用球形红假单胞菌处理制糖废水的研究表明,光合细菌直接处理制糖废水的效果不佳,添加小分子物质可以促进其处理效果,苹果酸为最佳的小分子物质,能提高COD的去除率.郑伟华等[16]利用光合细菌处理高浓度淀粉废水过程中,在水解酸化阶段添加10%的生活污水,增加了废水中微生物的多样性,使得大分子有机物快速降解为小分子,提高了COD的去除率.

表6 10~16h不同碳源下PNSB对底物的利用速率

A.生长曲线;B.COD变化曲线;C.NH4+-N变化曲线;D.PO43--P变化曲线;E.色素增长量;F.pH值变化曲线

乙酸钠作为一种简单的有机物,可直接参与到细胞代谢过程被迅速利用,而大分子的葡萄糖和淀粉难以被细胞直接利用.因此在处理含有大分子有机物的污水时,增加预酸化处理可以提高PNSB的生长速率以及COD的利用速率.

2.4 红外光下利用PNSB处理城市污水的应用前景

针对PNSB能够快速处理有机污水的特点,本文提出一种实现城市污水处理与资源化的新工艺(图5).污水经过厌氧MBR反应器在红外条件下利用PNSB处理后可达标排放,膜生物反应器将菌体截留.MBR反应器中排出的菌泥可以进行厌氧消化发酵产酸产CH4,菌体经处理后可作动植物肥料,实现有机物的资源化利用.

图5 氮素循环及PNSB的污水处理工艺

1.PNSB反应器;2.污泥发酵装置;3.PNSB工艺流程

与传统的硝化反硝化等污水处理工艺相比,本工艺节约了100%的曝气能耗,并且不产生CO2,N2O等温室气体.工业生产1t氮肥的耗电量,相当于产生了4~8t的CO2,另外大量使用工业生产的氮肥会造成水体富营养化[17].利用PNSB处理城市污水的工艺,可回收污水中的氨氮,将其转化为氮肥、蛋白质等能源进行再利用,实现了氮素的自给,而且光合细菌不会对水体造成污染.有研究表明利用光合细菌处理1m3有机污水可节约0.36kW能量输入(照明面积为20W/m2,18m2/m3),同时产生80％的生物量以及65%的蛋白质,收获的生物量价值超过300美元/t,与大豆价值相当.光合细菌生物质甚至可以用于补充传统水产养殖饲料中的部分鱼粉[18].因此红外光下利用PNSB不仅可实现城市污水的高效处理,而且可以实现氮素的资源化利用,一定程度上可降低人工固氮成本和污水厂的运行费用.

3 结论

3.1 红外光条件下PNSB的生长速率高于白炽灯和黑暗条件,约是白炽灯条件下的3倍,红外光下利用PNSB处理污水更高效.

3.2 NH4+-N作氮源时,PNSB对底物的利用速率最快,利用PNSB处理硝酸盐和亚硝酸盐污水具有可行性.

3.3 乙酸钠作碳源时,PNSB对底物的利用速率最快,葡萄糖、淀粉等大分子有机物需要水解酸化为小分子后才能被有效利用.

3.4 红外光下利用紫色非硫细菌处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,河南正阳人,北京工业大学环境与能源工程学院硕士研究士,主要从事污水脱氮研究.发表论文2篇.

2018-06-22

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, pyz@bjut.edu.cn