一株硫氧化细菌及用其去除硫化物的方法

摘要

一株硫氧化细菌及用其去除硫化物的方法，属于生物和环境保护技术领域。本发明公开了一株硫氧化细菌，分类命名为嗜热硫杆菌(Themithiobacillustepidarius)JNU-2，保藏编号为：CCTCCNO：M2013217。该菌对硫化合物的氧化效率很高而且高效的产生高附加值的副产物单质硫。本发明还涉及一种将该菌株应用于气升式内循环连续操作好氧反应装置去除含硫废液中硫化物的方法，在该反应器中应用JNU-2进行硫化合物去除，在水力停留时间（HRT）为10h时，单质硫产率为0.15gL-1h-1，单质硫生成率为60%左右，硫代硫酸盐氧化率98%以上。本发明的气升式内循环连续操作好氧反应装置表现良好，有望应用于大规模生产含硫废液中硫化物的去除。

说明书

技术领域

本发明涉及一株中温嗜热硫杆菌和将该菌株应用于一种气升式内循环连续操作好氧反应装置去除硫化物的方法，可应用于沼气、天然气脱硫，以及含硫酸盐废水和烟道气SO₂吸收液经生物厌氧还原产生的硫化物的生物去除。属于生物和环境保护技术领域。

背景技术

生物脱硫是一项生物和环境保护领域的交叉学科，又叫生物催化脱硫，是利用微生物或它所含的酶催化含硫化合物（硫化物、有机硫），将其所含的硫释放出来（转化为硫单质或硫酸盐）的过程；与普通脱硫方法相比，生物脱硫通常设备要求简单，操作成本低，不需高温、高压、催化剂，不存在二次污染且生成单质硫实现了资源回收，因此被认为是绿色脱硫技术。

硫化物的排放是含硫酸盐和亚硫酸盐废水处理的主要问题。有毒、腐蚀性、不良气味和高需氧的性质使它成为严格控制排放的化合物。与物理和化学方法相比，生物处理技术被证明在控制空气污染方面更加经济环保，对于处理大量低浓度污染物的气体是经济可行的方法。

自然界中可以氧化硫化物的微生物主要为：丝状硫细菌、光合硫细菌和无色硫细菌。其中无色硫细菌中的硫杆菌属具有高效产硫、体外排硫、反应条件温和等特点，因此成为生物氧化硫化物生成单质硫研究和工业应用的重要菌种。虽然国内近年来有报道应用于硫化物去除的菌株和各种型式反应器，但其脱硫效率低和单质硫产率低一直得不到很好的解决。

因此，筛选鉴定高效硫杆菌并应用于硫化物的去除，设计高效脱硫反应器，进一步提高脱硫效率和单质硫产率、降低生产成本就变得非常重要。

发明内容

本发明的主要目的就是针对以上存在的问题与不足，提供一株高效硫杆菌和将该菌株应用于一种气升式内循环连续操作好氧反应装置去除硫化物的方法。

本发明的技术方案：一株硫氧化细菌，其分类命名为嗜热硫杆菌（Themithiobacillus tepidarius）JNU-2, 己保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为：CCTCC NO：M 2013217。

所述菌株CCTCC NO：M 2013217的应用，该菌株无法利用各种有机物，但可利用硫化钠和硫代硫酸盐，将还原态硫化合物高效氧化生成单质硫和硫酸盐，以单质硫为产物的最适温度为37℃、最适单质硫产生pH为6，分批培养显示，该菌株在24h内实现了100%的硫代硫酸盐转化和82%以上的单质硫生成。

应用所述的菌株连续操作去除硫化物的方法，所用设备为气升式内循环连续操作好氧反应装置，该方法实现了含硫废液中还原态硫化合物的高效氧化，并有高效的单质硫产出能力，在水力停留时间（HRT）为10 h 时，硫代硫酸盐转化率超过98%，单质硫生成率为60%左右，单质硫产率为0.15 g L^-1h^-1。

所述方法中使用的气升式内循环连续操作好氧反应装置，该反应装置由导流筒1，储液罐2，液泵3，液泵4，空气泵5，进液管6，进气管7，排液管8，排气口9，取样口10，排出固体的出口11，液体环流反应区12和固体颗粒沉淀区13所组成，反应装置的主体为反应器；利用导流筒1将整个反应器分割成液体环流反应区12和固体颗粒沉淀区13两部分，上部为液体环流反应区，下部为固体颗粒沉淀区；反应器顶部置有排液管8和排气口9，反应器上侧部设有取样口10，反应器底侧部设有排出固体的出口11；液泵4将储液罐2中的含硫废液体通过进液管6通入反应区底部，空气泵5通过进气管7将无菌空气通入反应区底部，通过上升空气实现反应器内含硫废液液体的内部环流；液泵3通过排液管8将反应器内反应过后的液体排出，排气口9排出废气；通过液体环流增强了体系的传质效率，同时使产生的单质硫颗粒及其他固体颗粒、絮状物沉到反应器底部并通过出口11排出反应器。

将对数生长期的JNU-2菌株按5%的接种量接种到预先加入足量含硫废液的反应器中，暂停含硫废液的流入和流出，通入无菌空气，控制通气量为60mL/min、温度为37±3℃、pH为6±1，使菌种在反应器内大量繁殖48h，然后启动反应装置，维持通气量、温度和pH三者的范围不变；

排出反应器的颗粒通过后续处理将单质硫分离，实现了连续去除硫化物并回收有价值的产物单质硫。

所述嗜热硫杆菌的筛选方法，采用硫代硫酸盐培养基富集培养4天，重复3-4次，采用Na₂S₂O₃·5H₂O培养基进行平板分离，3天之后菌落生成，挑取单菌落入硫代硫酸盐培养基培养，重复4次获得纯菌。

本发明提供了一株嗜热硫杆菌，是从江苏某污水处理厂厌氧池污泥中筛选并经过人工选育得到的，命名为JNU-2，为杆状、革兰氏阴性以及较厚荚膜。该菌最适生长pH为8，最适单质硫产生pH为6；最适生长温度为43℃，最适单质硫产生温度为37℃。产生单质硫的中性pH和较低温度有利于简化反应器的设计和便于操作。

    本发明提供了所述菌的生理生化鉴定方法，其特点是，该菌的最适生长温度范围为37-43℃，最适pH范围是6-8。在最优的温度与pH条件下，不能利用有机物且有机物对菌体生长和单质硫的生成有不同程度的抑制作用，可以高效利用还原态的硫元素。在透射电镜下，细胞为杆状，且被一层厚厚的荚膜包裹。经过16S rRNA鉴定，JNU-2与嗜热硫杆菌属的亲缘关系超过了99%。

本发明提供了一种以硫代硫酸盐（硫化物在空气中的主要氧化产物）为能源底物的高效脱硫菌进行硫化物分批去除方法。其特点是，采用JNU-2纯菌和硫代硫酸盐溶液进行硫化物去除，在最适pH和温度下，24h内实现了100%的硫代硫酸盐转化和82%以上的单质硫生成，脱硫效率和单质硫产率都较高。

本发明提供了一种以气升式内循环连续好氧连续操作反应装置应用嗜热硫杆菌JNU-2的去除硫化物的方法。

所述气升式内循环好氧反应装置的特点是：反应器结构简单有效，降低了反应器制作及维护费用；连续处理含硫废液，通过上升空气实现反应器内液体的内部环流，增强了体系的传质效率，同时可使产生的单质硫颗粒及其他固体颗粒、絮状物沉到反应器底部并排出反应器，通过后续处理将单质硫分离，实现了连续去除硫化物并回收有价值的产物单质硫。

本发明的有益效果：本发明提供的气升式内循环连续操作好氧反应装置实现了增强体系混合和沉淀固体颗粒的统一。采用本发明提供的菌株和反应器可以高效氧化硫化物，并有高效的单质硫产出能力。在水力停留时间（HRT）为10 h 时，单质硫产率为0.15 g L^-1h^-1，单质硫生成率为60%左右。

生物材料样品保藏：嗜热硫杆菌（Themithiobacillus tepidarius）JNU-2；已保藏在中国典型培养物保藏中心(China Center for Type Culture Collection，简称CCTCC)，地址中国武汉，武汉大学，保藏日期2013年5月20日，菌种保藏号为：CCTCC NO： M 2013217。

附图说明

图1是本发明采用的嗜热硫杆菌在透射电镜下的细胞形态。

图2是本发明采用的嗜热硫杆菌JNU-2分批培养过程中各种因素的变化情况。

图3是本发明采用的气升式内循环连续操作好氧反应装置结构图。1、导流筒，2、储液罐，3、液泵，4、液泵，5、空气泵，6、进液管，7、进气管，8、排液管，9、排气口，10、取样口，11、排出固体的出口，12、液体环流反应区，13、固体颗粒沉淀区。

图4是本发明采用的气升式内循环连续操作好氧反应装置应用嗜热硫杆菌JNU-2去除硫化物过程中的各种因素的变化情况。

具体实施方式

实施例1 菌株筛选

在本实施例中取江苏省某污水处理厂厌氧池污泥，按5%的接种量加入含有100mL硫代硫酸盐培养基的250mL三角瓶中，pH=7，37℃，170r/min，进行富集培养4天，重复3-4次，采用硫代硫酸钠培养基进行平板分离，3天之后菌落生成，挑取单菌落接入硫代硫酸钠培养基培养，重复平板分离4次获得纯菌。

    实施例2 菌株鉴定

采用细菌全基因组快速抽提试剂盒，提取纯培养物的全基因组，并通过16S rDNA通用引物进行PCR，鉴定菌株为嗜热硫杆菌（Themithiobacillus tepidarius）。

实施例3 菌株生理生化及分批生物脱硫

    采用透射电镜观察上述JNU-2的形态如图1。采取初始pH=4.0、5.0、6.0、7.0、8.0与9.0所筛选菌种进行培养，确定最适菌体生长pH为8.0，最适单质硫产生pH为6.0；采取30℃、33℃、37℃、40℃、43℃、46℃与50℃在最适单质硫产生pH下进行培养，确定最适生长和单质硫产生温度区间为37-43℃。通过以下组合确定菌种JNU-2的最佳能源底物（g/L）：酵母提取物 1.0；蛋白胨 1.0；葡萄糖 1.0；果糖 1.0；蔗糖 1.0；乳糖 1.0；半乳糖 1.0；麦芽糖 1.0；甘氨酸 1.0；赖氨酸1.0；甲硫氨酸 1.0；Na₂S₂O₃·5H₂O 10.0；Na₂S 1.0；S⁰  1.0；酵母提取物 1.0和Na₂S₂O₃·5H₂O 10.0； 蛋白胨 1.0和Na₂S₂O₃·5H₂O 10.0；葡萄糖 1.0和Na₂S₂O₃·5H₂O 10.0。确定了JNU-2无法利用各种有机物，但可以利用单质硫硫化钠和硫代硫酸钠，其最佳能源底物为硫代硫酸钠。分批培养结果显示:脱硫最佳单质硫产生条件下，24h内实现了100%的硫代硫酸盐转化和82%以上的单质硫生成。

实施例4 气升式内循环连续操作好氧反应装置应用嗜热硫杆菌JNU-2去除硫化物

采用本专利筛选的JNU-2纯菌（5%的接种量）和自行设计的气升式内循环连续操作好氧反应装置体系进行硫化物生物去除。以硫代硫酸盐（硫化物在空气中的自然氧化产物）代替硫化物，硫代硫酸盐溶液同其他营养物质一起储存在图3中的储液罐2中，并逐步流加到反应器内。控制通气量为60mL/min、温度为37±3℃、pH为6±1，使5%接种量的JNU-2纯菌菌种在反应器内大量繁殖48h，然后启动反应装置，改变水力停留时间（HRT）分别为80、40、20、13、10、8h进行脱硫实验，硫氧化过程每12h测试硫代硫酸盐和单质硫的变化如图4。在水力停留时间（HRT）为10 h 时，单质硫产率为0.15 g L^-1h^-1，单质硫生成率为60%左右。综上所述，本发明的嗜热硫杆菌氧化硫化合物的能力极强，可以高效地氧化硫化物并产生副产物单质硫，气升式内循环连续操作好氧反应装置表现良好，有望应用于大规模含硫废液中硫化物的去除。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。