異養(yǎng)硝化菌 Acinetobacter sp.的分離鑒定及其脫氮特性

王秀杰,王維奇,李 軍,李 蕓,張彥灼,孫藝齊,王思宇,卞 偉

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異養(yǎng)硝化菌sp.的分離鑒定及其脫氮特性

王秀杰,王維奇,李 軍*,李 蕓,張彥灼,孫藝齊,王思宇,卞 偉

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京100124)

從北京市高碑店污水處理廠BBR(Bacillus Bacteria Bioreactor)中試設(shè)備的活性污泥樣品中分離得到一株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株JQ1004,利用16S rDNA對(duì)其進(jìn)行同源性分析,初步鑒定其為不動(dòng)桿菌屬(sp.).在好氧條件下,以丁二酸鈉為碳源,分別以氨氮和硝酸鹽氮為氮源,研究其脫氮特性,發(fā)現(xiàn)該菌株在33h時(shí)氨氮去除率達(dá)到99.45%,COD去除率達(dá)到92.54%;在34h時(shí),硝酸鹽氮去除率達(dá)到84.42%,而COD去除率達(dá)到93.11%.另外通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),與降解氨氮相比,菌株JQ1004在降解硝酸鹽氮時(shí)需要更高的C/N.利用Compertz模型對(duì)其脫氮特性進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),菌株對(duì)氨氮的最大降解速率明顯高于降解硝酸鹽氮的最大降解速率,分別為m=7.93mg/(L·h)和m=4.08mg/(L·h).利用響應(yīng)面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),優(yōu)化其脫氮條件,得到最佳脫氮條件為:pH=7.33;溫度=31.80℃;轉(zhuǎn)速=154.54r/min;C/N=7.76.

不動(dòng)桿菌屬；異養(yǎng)硝化-好氧反硝化；響應(yīng)面；動(dòng)力學(xué)

目前,生物脫氮工藝主要依賴于傳統(tǒng)硝化和反硝化過(guò)程,即硝化菌在好氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮,再依靠反硝化菌在缺氧條件下將亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為N2O、NO或N2[1].硝化菌為自養(yǎng)菌,有機(jī)碳會(huì)抑制其生長(zhǎng)[2],然而反硝化菌為異養(yǎng)菌,其生長(zhǎng)代謝依賴于有機(jī)碳;另外,硝化菌降解氨氮時(shí)依賴于溶解氧,而溶解氧又會(huì)對(duì)反硝化菌產(chǎn)生抑制[3].由于有機(jī)碳和溶解氧的限制,使得硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程必須分別在好氧池和厭氧池內(nèi)進(jìn)行,這就使得污水廠基建費(fèi)用大大增加.另外,由于硝化菌為自養(yǎng)菌,世代周期長(zhǎng),生長(zhǎng)易受外界環(huán)境影響,導(dǎo)致傳統(tǒng)生物脫氮工藝抗沖擊負(fù)荷能力差、水力停留時(shí)間長(zhǎng)、能耗大等缺點(diǎn)[4].為了克服這些不足,近年來(lái)越來(lái)越多新型生物脫氮工藝被研究利用,包括短程硝化、好氧反硝化、厭氧氨氧化以及它們的組合工藝[5].

繼Verstraete等[6]在1972年從自然界中分離出了第一株異養(yǎng)硝化菌sp.之后, Robertson等在1983年從活性污泥中分離出了一株同時(shí)具有異養(yǎng)硝化和好氧反硝化功能的脫氮菌(現(xiàn)更名為)[7].到目前為止越來(lái)越多異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌被分離出來(lái),如No.4[8]、Y-11[9]、YB[10]、A1[11]、CPZ24[12]等.這些異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌與傳統(tǒng)硝化菌相比,世代周期短,且對(duì)環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)性.另外,這類(lèi)菌株可以實(shí)現(xiàn)同步脫氮除碳,利用有機(jī)碳在同一好氧階段將氨氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮排放到大氣中,并且能夠利用多種不同氮源進(jìn)行生長(zhǎng)代謝.異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的這些優(yōu)點(diǎn)使得在同一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化(SND)成為可能.

為探究異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌的脫氮特性及降解動(dòng)力學(xué)特性,本研究通過(guò)建立Compertz模型,對(duì)一株從活性污泥樣品中分離出的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株JQ1004的脫氮特性進(jìn)行模擬,同時(shí)利用響應(yīng)面法對(duì)其脫氮特性進(jìn)行優(yōu)化,以期為異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌在生物添加領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的菌源.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

菌株分離自北京市高碑店污水處理廠BBR(Bacillus Bacteria Bioreactor)中試設(shè)備活性污泥. BBR設(shè)備將生物膜法(生物轉(zhuǎn)盤(pán)主體)和活性污泥法(4個(gè)連續(xù)曝氣池)集于一體(設(shè)備流程如圖1所示),在設(shè)備運(yùn)行期間定期添加活化后芽孢桿菌生物菌劑,設(shè)備進(jìn)水氨氮濃度為50~ 60mg/L,COD濃度為200~300mg/L,經(jīng)過(guò)2個(gè)月的啟動(dòng)維護(hù),設(shè)備實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定同步脫氮除碳.氨氮和COD去除率穩(wěn)定保持在95%及以上,TN去除率達(dá)到80%.

圖1 BBR設(shè)備工藝流程

1.2 培養(yǎng)基

異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基(g/L):0.47 (NH4)2SO4,4.219 (CH2COONa)2·6H2O,50mL維氏鹽溶液,C/N=7.5.

反硝化培養(yǎng)基(g/L):0.72KNO3,4.219 (CH2COONa)2·6H2O,50mL維氏鹽溶液,C/N=7.5.

維氏鹽溶液(g/L):6.55K2HPO4·3H2O, 2.5MgSO4·7H2O,2.5NaCl,0.038MnSO4·H2O,0.05 FeSO4·7H2O.

LB培養(yǎng)基(g/L):10.00 胰蛋白胨,5.00 酵母提取物,10.00NaCl.

以上培養(yǎng)基中C/N指培養(yǎng)基中TC/TN (/).培養(yǎng)基在使用前用Na2HPO4和NaH2PO4緩沖溶液調(diào)整pH=7.0~7.1,121℃高壓蒸汽滅菌15min.平板培養(yǎng)基需加入1.5%~2%瓊脂粉.

1.3 菌株的分離與鑒定

1.3.1 菌株的篩分 取10mL活性污泥于90mL0.9%生理鹽水中,用玻璃珠將泥樣充分打散,使細(xì)菌呈單細(xì)胞狀態(tài)懸浮于溶液中.采用梯度稀釋法將菌液稀釋.將各梯度稀釋液涂布到異養(yǎng)硝化固體培養(yǎng)基上,于30℃培養(yǎng)2~3d.等菌落長(zhǎng)出后,用接種環(huán)挑取單菌落接種于異養(yǎng)硝化液體培養(yǎng)基中.30℃、140r/min搖瓶培養(yǎng)24h后,測(cè)定氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮濃度變化,進(jìn)而挑選出具有顯著氨氮去除效果的菌株進(jìn)行復(fù)篩.最終篩選出脫氮性能最好的菌株JQ1004.采用平板劃線法對(duì)最終篩選出菌株進(jìn)行純化,反復(fù)劃線純化5~7代,直至形成均勻單菌落,且無(wú)異常菌落出現(xiàn).以上操作均在無(wú)菌環(huán)境中.菌株凍存于-80℃的40%甘油中.

1.3.2 菌株的16S rDNA鑒定 挑取茁壯單菌落接種于液體異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基中,30℃、140r/min搖床過(guò)夜培養(yǎng)12h.取菌液于12000r/min、4℃離心5min,獲得菌體.將菌體反復(fù)重懸于無(wú)菌水中洗滌3次.再次離心獲得菌體.加入400μL Buffer SCL裂解菌體,65℃水浴1h左右,中間每隔10min混勻1次,直至混合液變澄清.然后離心取上清液進(jìn)行DNA提取.采用Ezup柱式基因組DNA抽提試劑盒(上海生工)提取基因組DNA.將提取的DNA作為模板,采用針對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因的通用引物對(duì)27f(5′-AGAGTTTGATCCTGGC- TCAG-3′)和1492r(5′-TACGGYTACCTTGTTA- CGACTT-3′)進(jìn)行PCR擴(kuò)增.將PCR產(chǎn)物送交上海生工進(jìn)行測(cè)序,將測(cè)得的序列利用BLAST在線程序與Genbank中已有的模式菌株序列進(jìn)行比對(duì),并下載同源性較高的序列,利用MEGA5.0中的Neighbor-joining算法進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建.

1.4 不同氮源條件下菌株JQ1004降解特性及動(dòng)力學(xué)模型分析

將新鮮固體培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好的單菌落接種于無(wú)菌水中并定容,制備成均勻菌懸液(0.5麥?zhǔn)蠞岫?作為接種液.以下實(shí)驗(yàn)均以此菌液作為接種液.分別以硫酸銨、硝酸鉀為唯一氮源,探究菌株在不同氮源情況下脫氮特性.C/N=7.5, pH= 7.0~7.1,培養(yǎng)條件為30℃,140r/min.定時(shí)取樣測(cè)定氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度,數(shù)據(jù)測(cè)定3次取平均值.

菌株JQ1004對(duì)不同氮素的降解動(dòng)力學(xué)模型與Compertz 模型相似度較大可以通過(guò)修飾過(guò)的 Compertz 模型[13-15]來(lái)進(jìn)行擬合:

式中:指某一時(shí)刻氮素濃度,mg/L;0指氮素初始濃度,mg/L;m指最大轉(zhuǎn)化速率,mg/(L·h);0指遲滯時(shí)間,h;指培養(yǎng)時(shí)間,h;e是數(shù)學(xué)常數(shù).

1.5 響應(yīng)面法優(yōu)化菌株的脫氮條件

表1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的變量及其水平值

1.6 測(cè)試分析與計(jì)算方法

NH4+-N:納氏試劑分光光度法;NO2--N:N- (1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;CODcr:重鉻酸鉀法;NH2OH:間接分光光度法;pH值、溫度: WTW/Multi3420便攜式測(cè)定儀.

平均氨氧化速率計(jì)算:

2 結(jié)果與討論

2.1 菌株的分離與鑒定

圖2 菌株JQ1004在固體培養(yǎng)基上的形態(tài)

利用梯度稀釋法和平板劃線法一共篩分得到24株具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能的菌株.將全部菌株分別接種于液體異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基中進(jìn)行搖瓶實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證得到一株脫氮效果最好的菌株,命名為JQ1004.菌株JQ1004在異養(yǎng)硝化固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)24h后,如圖2所示菌落呈白色,凸起,邊緣整齊,表面光滑濕潤(rùn),黏稠不易挑取.

提取該菌株DNA,并利用通用引物對(duì)27F/1492R經(jīng)PCR擴(kuò)增后得到長(zhǎng)度為1400bp基因片段,將該片段利用BLAST在線程序與Genbank中已有的模式菌株序列進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn),菌株JQ1004與An17同源性在98%以上,結(jié)合菌株形態(tài)可以初步鑒定JQ1004為不動(dòng)桿菌.利用MEGA 5.0中的Neighbor- joining 算法對(duì)菌株JQ1004與一些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌以及其他不動(dòng)桿菌進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建,得到菌株JQ1004系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖3),進(jìn)一步證明JQ1004為不動(dòng)桿菌屬(sp.),命名為sp. JQ1004.

圖3 菌株JQ1004系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

2.2 不同氮源條件下菌株JQ1004降解特性及動(dòng)力學(xué)模型分析

2.2.1 菌株JQ1004對(duì)不同氮素降解特性 以氨氮為唯一氮源,菌株脫氮特性如圖4(A)所示.菌株在經(jīng)歷2~3h遲滯期后開(kāi)始迅速生長(zhǎng),此時(shí)氨氮和有機(jī)碳被大量降解,氨氮氧化速率在此階段達(dá)到最大值.在24h時(shí),OD600達(dá)到最大并進(jìn)入穩(wěn)定期.在33h,氨氮去除率達(dá)到99.45%,COD去除率達(dá)到92.54%.Chen等[12]報(bào)道,sp. CPZ24在初始氨氮濃度為50mg/L條件下,氨氮去除率在20h內(nèi)可完全去除,而在相同條件下,硝酸鹽氮去除率為67%.當(dāng)培養(yǎng)基中不添加有機(jī)碳源時(shí),菌株JQ1004無(wú)法生長(zhǎng),只有外加有機(jī)碳源時(shí),氨氮才能夠被降解利用,這表明菌株JQ1004為異養(yǎng)硝化菌.由圖4(A)可知,在對(duì)數(shù)期時(shí),菌株快速繁殖,氨氮與有機(jī)碳被大量降解,這表明菌株能夠在好氧條件下(140r/min),實(shí)現(xiàn)同步脫氮除碳.在整個(gè)氨氧化過(guò)程中,只檢測(cè)到少量的硝酸鹽氮積累,而未檢測(cè)到亞硝酸鹽氮和羥胺積累,這是由于在氨氮被氧化過(guò)程中,亞硝酸鹽氮和羥胺等中間產(chǎn)物被迅速轉(zhuǎn)化而未產(chǎn)生積累[18].

由圖4(B)可知,在好氧條件下菌株JQ1004能夠以硝酸鹽氮為氮源進(jìn)行反硝化,這表明菌株JQ1004不僅具有異養(yǎng)硝化功能,還具有好氧反硝化功能,這與大部分已分離的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株如sp. HA2[19]、sp.Y16[20]、YB[10]等脫氮特性一致,即在好氧條件下能夠以氨氮和硝酸鹽氮為唯一氮源進(jìn)行新陳代謝;而另一類(lèi)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株,如No.4[8],HNR[21],NR[22]等,分別以氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和羥胺為唯一氮源研究其脫氮途徑時(shí)發(fā)現(xiàn),該類(lèi)菌株不能夠利用亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮進(jìn)行反硝化,只能利用氨氮和羥胺進(jìn)行代謝.此兩類(lèi)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株的脫氮途徑還未有統(tǒng)一定論,仍需進(jìn)一步的研究.由圖4(B)可知,在經(jīng)過(guò)5h的遲滯期之后,菌株JQ1004進(jìn)入對(duì)數(shù)期,在這一時(shí)期菌株迅速生長(zhǎng)繁殖,OD值迅速上升,硝酸鹽氮和有機(jī)碳被大量降解.直到34h左右,菌株生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期,在此時(shí)刻之后OD值穩(wěn)定在1.1左右,不再大幅度上升.此時(shí)硝酸鹽氮去除率僅達(dá)到84.42%,而COD去除率達(dá)到93.11%.分析可能的原因是在氮素初始濃度相同條件下,菌株JQ1004降解硝酸鹽氮比降解氨氮需要更高的C/N比,由于碳源不足,在反應(yīng)過(guò)程的后期,C/N不能夠滿足菌株新陳代謝的需要,從而限制了菌株的生長(zhǎng).

2.2.2 菌株JQ1004對(duì)不同氮素降解動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建及分析 實(shí)驗(yàn)表明,溫度、pH值等對(duì)菌株JQ1004降解不同氮素具有顯著影響.菌株對(duì)氨氮和硝酸鹽氮的降解情況隨時(shí)間的變化,采用修飾過(guò)Compertz模型進(jìn)行擬合.

菌株JQ1004對(duì)不同氮素降解動(dòng)態(tài)擬合曲線見(jiàn)圖5.從圖5中可以看出,修飾過(guò)的Compertz模型很好地描述了菌株降解不同氮素隨時(shí)間的變化情況,由表2可知氨氮和硝酸鹽氮擬合曲線的相關(guān)系數(shù)2分別為0.997和0.985.

圖5 菌株JQ1004對(duì)不同氮素降解動(dòng)態(tài)擬合曲線

表2 菌株JQ1004降解不同氮素動(dòng)力學(xué)參數(shù)

從Compertz模型擬合后(圖5)可以看出,菌株JQ1004在降解氨氮與硝酸鹽氮時(shí)均存在遲滯期,且降解硝酸鹽氮的遲滯期(12.74h)明顯長(zhǎng)于降解氨氮的遲滯期(5.91h).在相同條件下,氨氮平均降解速率明顯大于硝酸鹽氮平均降解速率,氨氮在6~24h被迅速降解,且在這一時(shí)間段內(nèi)降解速率達(dá)到最大(m=7.93mg/(L·h));而硝酸鹽氮在經(jīng)過(guò)12.74h的遲滯期后,進(jìn)入快速降解期,在13~35h硝酸鹽氮降解速率達(dá)到最大值m= 4.08mg/(L·h).Ren等[10]通過(guò)研究YB在不同C/N條件下氨氮去除效果,發(fā)現(xiàn)氨氮最大去除率在4.04~10.09mg/(L·h)之間.分析這種脫氮特性的原因,一方面可能是該菌株降解氨氮和硝酸鹽氮的代謝途徑不同,經(jīng)前期研究發(fā)現(xiàn),異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌可能存在兩條脫氮途徑,一種是與傳統(tǒng)脫氮途徑相同,即NH4+-N→ NO2--N→NO3--N→NO2--N→NO→N2O→N2,另一條是NH4+-N→NH2OH→NO→N2O→N2,推測(cè)當(dāng)氨氮為氮源時(shí),菌株JQ1004脫氮途徑以第二條脫氮途徑為主,以硝酸鹽氮為氮源時(shí)以NO3-- N→NO2--N→NO→N2O→N2為主;另一方面可能是氨氧化過(guò)程中酶的活性要高于好氧反硝化過(guò)程中酶的活性[18].

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化菌株JQ1004的脫氮條件

參考前期相關(guān)文獻(xiàn),確定出pH值、溫度、轉(zhuǎn)速、C/N為顯著影響異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株脫氮性能的環(huán)境因素.通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定出各環(huán)境因子的最佳范圍,以30h內(nèi)平均氨氮氧化速率為響應(yīng)值,利用Box-Behnken法的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)四因素三水平的實(shí)驗(yàn)組合.各組實(shí)驗(yàn)響應(yīng)值如表3所示.

利用Design Expert對(duì)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和方差分析,得到響應(yīng)值與各因素編碼值之間的函數(shù)關(guān)系式如下:

=3.06+0.39+0.39+0.30+0.015+0.033-

0.055-0.020+0.12-0.028+

0.15-0.542-0.672-0.252-0.212

式中:表示氨氧化速率,、、、分別表示pH值、溫度、轉(zhuǎn)速、C/N.

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)值

對(duì)擬合模型進(jìn)行方差分析(ANOVA),結(jié)果如表4.

由表4可知,該模型值<0.0001,表明擬合得到的方程極為顯著,模型在整個(gè)被研究的回歸區(qū)域內(nèi)擬合性很好.模型失擬項(xiàng)(Lack of Fit)用來(lái)表示所用模型與實(shí)驗(yàn)值的擬合程度,即二者的差異程度.該擬合模型中失擬項(xiàng)為0.5385>0.05,不顯著.表明無(wú)失擬因素存在,因此可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.同時(shí)結(jié)合圖6中平均氨氧化速率的實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值之間的擬合關(guān)系可知,實(shí)際值與預(yù)測(cè)值具有很好的擬合度,其中散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)所得平均氨氧化速率,直線為預(yù)測(cè)值擬合直線.

表4 響應(yīng)面結(jié)果的方差分析

注:*<0.05.

圖6 回歸模型平均氨氧化速率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的關(guān)系

另外,模型決定系數(shù)2=0.9957,表明99.57%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用該模型進(jìn)行解釋,說(shuō)明方程可靠性高且回歸有效.校正決定系數(shù)(Adj2=0.9913)和預(yù)測(cè)決定系數(shù)(Pred2=0.9801)差值為0.0112< 0.2,變異系數(shù)CV=2.23%<10%,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)具有較高可信度和良好的穩(wěn)定性.該模型的信噪比為51.563,其值大于4,說(shuō)明該模型具有足夠分辨力,能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[23].在統(tǒng)計(jì)學(xué)中,Cook距離表示某一條數(shù)據(jù)從回歸統(tǒng)計(jì)量和計(jì)算中排出后,由此造成的回歸系數(shù)變化有多大,通常認(rèn)為D<1的數(shù)據(jù)為合理數(shù)據(jù)[24].由圖7可知,用于回歸分析的數(shù)據(jù)的D均小于1,不存在對(duì)二次多項(xiàng)式的系數(shù)產(chǎn)生明顯影響的數(shù)據(jù).綜合以上分析,該模型可以用來(lái)分析和預(yù)測(cè)菌株JQ1004降解氨氮的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件.

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)分析可知,各因素對(duì)氨氮降解速率的影響排序?yàn)?pH值>溫度>轉(zhuǎn)速>C/N.并且,pH()、溫度()、轉(zhuǎn)速()的值均小于0.0001,這表明它們對(duì)模型的影響極其顯著,即pH值、溫度、轉(zhuǎn)速是氨氮降解速率的重要影響因素.C/N()的值為0.3422,不顯著,這表明C/N對(duì)于菌株降解氨氮并沒(méi)有顯著影響,分析可能原因?yàn)镃/N在滿足菌株JQ1004正常代謝要求后,氨氮降解速率隨C/N的改變不會(huì)產(chǎn)生大的變化.C/N在6.5以上時(shí)已經(jīng)滿足了菌株降解氨氮的需求,故C/N已經(jīng)不是影響氨氮降解的顯著因素.另外,由交互項(xiàng)系數(shù)的值可知,、的值均小于0.05,這表明溫度與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速與C/N之間的交互作用明顯.

如圖8所示,由響應(yīng)面圖和等高線圖中也可以看出各因素之間的交互作用,響應(yīng)面圖中等高線形狀可直接反映出兩個(gè)因素間的交互作用強(qiáng)弱,等高線越接近圓形兩因素間的交互作用越弱,而越接近橢圓形兩因素間的交互作用越強(qiáng)[25].由圖8中(以和為例) pH()和C/N()的等高線圖呈圓形,說(shuō)明之間的交互作用較弱;而pH()和溫度()的等高線圖明顯呈橢圓形,說(shuō)明之間的交互作用明顯較強(qiáng).另外,從各因素響應(yīng)面3D圖中也可以直觀看出各因素之間具有明顯的交互作用,各因素之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.同時(shí)可以明顯看出模型開(kāi)口向下,表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有最大值,即響應(yīng)值具有最優(yōu)條件的響應(yīng)點(diǎn).

圖7 回歸模型的Cook距離分布

圖8 pH值和溫度、pH值和C/N對(duì)平均氨氧化速率影響的響應(yīng)面和等高線

對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行偏導(dǎo)微分處理,得到菌株JQ1004最優(yōu)脫氮條件為pH=7.33;溫度=31.80℃;轉(zhuǎn)速=154.54r/min;C/N=7.76.此時(shí),最大平均氨氧化速率預(yù)測(cè)值為3.31mg/(L·h).為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性,在最優(yōu)條件下進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn),為實(shí)驗(yàn)操作方便,將培養(yǎng)條件簡(jiǎn)化為:pH= 7.4;溫度=32℃;轉(zhuǎn)速=155r/min;C/N=7.8得到平均氨氧化速率為3.17mg/(L·h),與預(yù)測(cè)值僅相差0.14mg/(L·h).這表明回歸方程比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了各因素對(duì)菌株JQ1004脫氮特性的影響.

3 結(jié)論

3.1 從活性污泥中分離得到一株異養(yǎng)硝化菌JQ1004,結(jié)合菌株生理形態(tài)及16S rDNA同源性分析鑒定該菌株屬于不動(dòng)桿菌屬(sp.).該菌株能夠在好氧條件下,以有機(jī)碳為碳源,分別利用氨氮和硝酸鹽氮進(jìn)行代謝,且無(wú)明顯亞硝酸鹽氮積累.

3.2 Compertz模型能夠很好地?cái)M合菌株對(duì)于不同氮素降解特性,從擬合曲線可知菌株在利用氨氮時(shí)比利用硝酸鹽氮有更短的遲滯期(分別為5.91h和12.74h)和更大的最大降解速率(分別達(dá)到m=7.93mg/(L·h)和m=4.08mg/(L·h)).另外研究結(jié)果還表明,菌株在降解硝酸鹽氮時(shí)比降解氨氮時(shí)需要更高的C/N.

3.3 通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),確定該菌株脫氮最優(yōu)條件為:pH=7.33;溫度=31.80℃;轉(zhuǎn)速=154.54r/min;C/N=7.76,由驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知, 回歸方程比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了各因素對(duì)菌株JQ1004脫氮特性的影響.

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Isolation and identification of a heterotrophic nitrifier,sp., and its characteristics of nitrogen removal.

WANG Xiu-jie, WANG Wei-qi, LI Jun*, LI Yun, ZHANG Yan-zhuo, SUN Yi-qi, WANG Si-yu, BIAN Wei

(The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2017,37(11)：4241~4250

Heterotrophic bacterium, the strain JQ1004 exhibiting simultaneous nitrification and aerobic denitrification were isolated from activated sludge and identified asby 16S rDNA. This study was focused on the characteristics of nitrogen removal under aerobic condition bysp. JQ1004. Clearly, a significant decrease of ammonium and COD was observed by 33h, with 99.45% and 92.54% removal efficiency respectively while NH4+-N was used as sole N-source and sodium succinate was used as organic carbon source. Besides, while the strain utilized NO3--N as nitrogen source, the removal efficiency of NO3--N was 84.42% and total 93.11% of COD was decreased during 34h of incubation. It was interesting to note that higher C/N ratio was required in the degradation of nitrate than ammonium with the same initial concentration under aerobic conditions. Based on the description by modified Compertz model for the experimental data, it was found the isolate using ammonium as a sole nitrogen source showed higher rate of converting nitrogen than using nitrate, with 7.93mg/(L·h) and 4.08mg/(L·h) respectively. Response surface methodology (RSM) experiments proved that efficient nitrogen removal and growth of strain JQ1004occurred with succinate as the carbon source, pH 7.33, 31.80℃, and high C/N ratio of 7.76and dissolved oxygen (with shaking speed of 154.54r/min).

sp.；heterotrophic nitrification-aerobic denitrification；response surface methodology (RSM)；kinetics

X172

A

1000-6923(2017)11-4241-10

王秀杰(1991-),女,山東濰坊人,北京工業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事污水生物脫氮研究.發(fā)表論文1篇.

2017-03-29

水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2015ZX07202- 013);16人才培養(yǎng)質(zhì)量建設(shè)-雙培養(yǎng)計(jì)劃新興專(zhuān)業(yè)建設(shè)(004000542216031)

* 責(zé)任作者, 教授, 18810925108@163.com