氨氮对异养硝化菌Acinetobactorsp活性影响及动力学特性分析

中国环境科学2018,38(3)：943~949ChinaEnvironmentalScience氨氮对异养硝化菌Acinetobactorsp.活性影响及动力学特性分析王秀杰,王维奇,李军*,王思宇,张晶,魏佳,赵白航(北京工业大学建筑工程学院,北京100124)摘要：异养硝化菌株Acinetobactorsp.JQ1004能够在初始氨氮浓度为0~2000mg/L范围内进行生长和氮源代谢,菌株在初始氨氮浓度为2500mg/L条件下被完全抑制,无法生长.当菌株在温度为30℃,pH7.5,转速为160r/min,初始氨氮浓度分别为100,300,500,700,1000,1500,2000,2500mg/L条件下培养时,菌株的最大比生长速率分别为0.251,0.308,0.286,0.243,0.197,0.115,0.088h-1,相应的最大比氨氮降解速率分别为1.335,1.906,1.859,1.759,1.562,1.286,0.965g/(gDCW·d).在高浓度氨氮和游离氨的抑制作用下,菌株的比生长速率及对氨氮的比降解速率随初始氨氮浓度的增加呈先增加后降低的趋势.3种基质抑制动力学模型(Haldane,Yano,Aiba模型)均能够很好地模拟菌株随初始氨氮浓度的生长变化规律,对应地相关系数分别为0.9944,0.9983和0.9929.由Haldane模型可知,菌株在不同初始氨氮浓度(游离氨)条件下的最大氨氮比降解速率µmax为2.604h-1,基质亲和系数Ks为22.57mg/L,基质抑制系数Ki为1445.31mg/L.其中由Ki值远大于自养菌(硝化细菌及厌氧氨氧化菌等)的值,这表明异养硝化菌株Acinetobactorsp.JQ1004比自养菌具有更强的抗抑制能力.另外,菌株在游离氨浓度为5.436mg/L时,比生长速率达到最大值0.583h-1.以上研究结果表明,菌株JQ1004在处理高氨氮废水中具有潜在的应用前景.关键词：异养硝化；动力学；高氨氮；氨氮抑制中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)03-0943-07InhibitionofinitialammoniaandfreeammonianitrogenonAcinetobactorsp.andtheirbiokinetics.WANGXiu-jie,WANGWei-qi,LIJun*,WANGSi-yu,ZHANGJing,WEIJia,ZHAOBai-hang(TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(3)：943~949Abstract：ThestrainJQ1004withcapabilityofheterotrophicnitrificationwereabletogrowandmetabolismunderdifferentinitialammoniumconcentrationsinrangeof0~2000mg/L.However,thestrainwerecompletelyinhibitedinconcentrationof2500mg/L.WhenstrainJQ1004wascultivatedat30,℃pH7.5,160rpmwiththeinitialammoniumof100,300,500,700,1000,1500,2000mg/L,themaximumspecificgrowthrateswere0.251,0.308,0.286,0.243,0.197,0.115,0.088h-1,andthecorrespondingammoniumspecificremovalratesreached1.335,1.906,1.859,1.759,1.562,1.286,0.965g/g(DCW·d),respectively.Duetotheinhibitionoffreeammoniaandhigh-strengthconcentrationofammonium,thespecificgrowthrateanddegradationrateofammoniaincreasedatfirstanddecreasedwiththeincreaseofinitialconcentrationofammonianitrogen(freeammonia).Threekineticmodels(Haldane,Yano,Aiba)werefittedwelltotheexperimentalgrowthkineticdatawiththecorrelationcoefficients(R2)of0.9944,0.9983and0.9929.ForHaldanemodel,thevaluesofµmax,Ks,andKiwere2.604h-1,22.57mg/L,and1445.31mg/L,respectively.ThelargevaluesofKi,fargreaterthanthatofautotrophicnitrifiersoranaerobicammonium-oxidizingbacteria,indicatedthatJQ1004hadgoodtoleranceagainsthighammoniumconcentrations.Besides,thespecificgrowthratereachedamaximumvalueof0.583h-1whentheconcentrationoffreeammoniawas5.436mg/L.TheseresultsindicatedpossiblefutureapplicationsofJQ1004inremovingnitrogenandorganiccarbonfromhigh-strengthammoniumwastewater.Keywords：heterotrophicnitrification；biokinetics；high-strengthammonium；ammoniainhibition收稿日期：2017-08-06基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07201-011);16人才培养质量建设-双培养计划新兴专业建设(004000542216031)*责任作者,教授,[e-mail]944中国环境科学38卷近年来,对高氨氮废水的处理已成为污水处理的一个难点.高氨氮废水若处理不当直接排入受纳水体,会造成水体富营养化等问题,对环境造成严重危害.通常,将含氨氮浓度超过500mg-N/L的废水称为高氨氮废水[1].高氨氮废水主要来源于垃圾渗滤液[2]、养殖废水[3]、焦化废水[4]等.由于生物处理工艺具有能耗低、效率高等优点,已经被越来越多应用于高氨氮废水的处理中.常用的工艺有短程硝化[5]、同步硝化反硝化(SND)[6]等以及它们的一些组合工艺.这些传统生物处理工艺大多数依赖于自养型好氧/厌氧菌(硝化菌、厌氧氨氧化菌等),由于自养菌的世代周期长,且抗氨氮及有机碳等冲击负荷能力差,导致了生物处理系统的不稳定性[7].Verstraete等[8]在1972年从自然界中成功分离出第一株异养硝化菌Arthrobactersp.之后,Robertson和Kuenen[9]又从活性污泥中分离出了一株同时兼有异养硝化和好氧反硝化功能的菌株Thiosphaerapantotropha(现已更名Paracoccus).在这之后越来越多异养硝化好氧反硝化菌株被分离出来,如EnterobactercloacaeCF-S27[10],PseudomonastolaasiiY-11[11],AcinetobacterjuniiYB[12]等.很多异养硝化好氧反硝化菌株具有能够在高浓度氨氮条件下生长代谢的特点[13].研究者们利用这一特点将该类异养硝化好氧反硝化菌应用于高氨氮废水的处理中.Joo等[14]将异养硝化菌株AlcaligenesfaecalisstrainNo.4应用于实际的养猪废水处理中,并取得了很好的去除效果.Chen等[15]建立一个处理高盐高氨氮废水的生物脱氮系统,并实现了稳定运行,利用PCR-DGGE技术检测到系统中优势菌株为异养硝化好氧反硝化菌Flavobacteriumphragmitis和Paracoccusdenitrificans.菌株Thiosphaerapantotropha等[16]被以生物添加的方式应用于SBR工艺中处理高氨氮废水并同样取得了很好的效果.以上工艺的建立均表明,异养硝化好氧反硝化菌株在处理高氨氮废水中具有很好的应用前景.本研究通过批式实验研究了菌株在不同初始氨氮浓度条件下的生长及代谢规律,并确定了氨氮及游离氨浓度对菌株的抑制动力学模型,以期为菌株在处理高氨氮废水中的应用提供基础.1材料与方法1.1实验菌株和培养基1.1.1菌株来源实验菌株Acinetobactorsp.JQ1004为一株异养硝化好氧反硝化菌[17],分离自北京市高碑店污水厂中试设备的活性污泥,已被证实能够在好氧条件下,以琥珀酸钠为碳源,分别以氨氮和硝氮为氮源进行生长代谢.当氨氮作为唯一氮源时,菌株能够迅速利用氨氮和有机碳进行生长代谢,当培养基中不添加有机碳源时,菌株JQ1004无法生长,这表明菌株具有异养硝化作用.另外,菌株JQ1004能够在好氧条件下,以硝氮为氮源进行生长代谢,这表明菌株具有好氧反硝化作用.1.1.2培养基实验用培养基为异养硝化培养基[12],其配方为(NH4)2SO40.47g,(CH2COONa)2·6H2O4.219g,50mL维氏盐溶液,950mL超纯水,通过改变加入(NH4)2SO4的质量改变培养基初始氨氮浓度,固定TOC/TN=7.5.维氏盐溶液配方为K2HPO4·3H2O6.55g,MgSO4·7H2O2.5g,NaCl2.5g,MnSO4·H2O0.038g,FeSO4·7H2O0.05g,1000mL超纯水.培养基在使用前用Na2HPO4和NaH2PO4缓冲溶液调整pH=7.5,121℃高压蒸汽灭菌15min.平板培养基需加入1.5%~2%琼脂粉.1.2批次实验1.2.1不同初始氨氮条件下菌株降解实验将新鲜平板培养基上生长茁壮的单菌落接种于液体异养硝化培养基中进行活化,然后8000r/min离心5min收集菌体,用磷酸缓冲溶液反复洗涤3次,重悬于无菌水中作为接种液,固定接种液OD600值约0.5.菌株在不同初始氨氮浓度条件下的降解实验设置8个批次,初始氨氮浓度分别设定为:100,300,500,700,1000,1500,2000,2500mg/L.每个批次均设置不加接种液的空白组作为对照.培养条件为30℃,160r/min.定时取样测定氨氮、硝氮、亚氮、COD浓度以及菌悬液OD600值,数3期王秀杰等：氨氮对异养硝化菌Acinetobactorsp.活性影响及动力学特性分析945据测定3次取平均值.1.2.2细胞浓度的测定[18]首先通过实验确定菌株细胞浓度(细胞干重,mg/L)与菌悬液吸光度(OD600)之间的标准曲线.以液体培养基做空白,在600nm波长下测定菌悬液的吸光度,再根据标准曲线将OD600值换算为细胞干重(mg/L).细胞干重采用干燥法测定.1.2.3菌株比生长速率、氨氮比降解速率、产率系数以及游离氨浓度的计算[19-20]00lnlnXXttµ−=−(1)式中:µ为菌株的比生长速率,h-1;X为t时刻时菌株的细胞浓度,mg/L;X0为t0时刻细胞浓度,mg/L;t0为菌株培养任一阶段的初始时刻,h;t为菌株培养任一阶段的结束时刻,h.q=-[(S0-S)/(t0-t)]/X0(2)式中:q为比降解速率