草鱼池塘好氧反硝化细菌的筛选、鉴定及其脱氮性能的研究

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草鱼(Ctenopharyngodon idellus),俗称鲩鱼、草根、黑青鱼,是我国四大家鱼之一,2016年我国草鱼产量为589.88万吨。随着我国水产养殖业的快速发展,养殖方式从传统粗放型向现代规模化、集约化转变,养殖过程中投入的饲料并不能被鱼体全部利用,再加上鱼体自身的排泄物沉积在池塘中,导致池塘养殖内源氮素污染严重,不仅会恶化水质,致使养殖动物疾病爆发,养殖产品质量和产量下降,而且氮素超标严重的养殖尾水排放会导致江河水域环境的污染。因此,如何降低池塘养殖水体中氮素污染成为水产养殖领域的热点问题。生物脱氮以无污染、高效率的优点被认为是去除水体中氮素的有效途径之一。传统的生物脱氮理论认为反硝化是严格厌氧的过程,氧气会抑制反消化还原酶基因的表达和反硝化还原酶的活性,不能发挥微生物脱氮的作用。好氧反硝化细菌的发现,突破了传统生物脱氮的瓶颈。好氧反硝化的发生是由于细胞内存在的好氧反硝化作用酶系。好氧反硝化细菌能够在有氧的环境中将硝氮和亚硝氮还原为氮气,这就为生物脱氮提供了崭新的思路。此后,越来越多的好氧反硝化细菌从不同的环境中分离出来。好氧反硝化细菌的发现,为现有的养殖水体中氮素的去除工艺提供了新的研究方向。位于中山市的草鱼(Ctenopharyngodon idellus)“零排放”养殖池塘使用新的轮捕轮放工艺,养殖全程连续三年不换水、污染零排放。本研究以草鱼“零排放”养殖池塘为研究对象,采用传统微生物分离纯化的方法,分离鉴定草鱼零排放池塘水体和底泥中的好氧反硝化细菌,挑选出高效的好氧反硝化细菌,优化该类菌株的高效脱氮培养条件,探究反硝化性能,在富氮水体中投放菌株进行脱氮试验,通过水体中各项氮素指标的变化评价该菌株的实际应用效果。本研究在丰富好氧反硝化细菌资源的同时,为草鱼养殖池塘原位修复的实际应用提供理论基础。主要实验内容概括如下:1、从广东省中山市的草鱼养殖池塘水体中分离筛选好氧反硝化细菌,首先使用酸碱指示剂法初步筛选出89株细菌,然后使用反硝化培养基定量计算,筛选出25株高效好氧反硝化细菌。2、经过16S rDNA基因序列分析鉴定,这25株菌分别属于假单胞菌属、肠杆菌属、不动杆菌属等。选择其中脱氮能力最强的两株菌,分别命名为ZS1、ZS2,并对这两株菌进行鉴定。结合菌株的形态观察、生理生化特性和16S rDNA基因序列分析鉴定,菌株ZS1为Pseudomonas furukawaii,革兰氏阴性菌,菌体呈杆状,有周生鞭毛。将菌株ZS1长度为1333bp的16S rDNA序列上传至NCBI,登录号为MK615112;菌株ZS2为Citrobacter portucalensis,革兰氏阴性菌,菌落光滑、湿润,边缘整齐。将菌株ZS2长度为1339bp的16S rDNA序列上传至NCBI,登录号为MK641482。3、菌株ZS1好氧反硝化最适条件为:温度为30℃、pH为8.0、碳源为乙酸钠、C/N为15、转速为100r/min。4、研究鉴定菌株ZS2好氧反硝化最适条件为:温度为30℃、pH为7.0、碳源为葡萄糖、C/N为20、转速为200 r/min。5、菌株ZS1经过48h的培养,NO3--N的含量从48.93mg/L降低到1.27mg/L,去除率为97.40%,去除速率达0.993 mg/(L·h);TN的含量从52.04mg/L降低到8.40 mg/L,去除率为83.86%,去除速率达0.909mg/(L·h),且无亚硝积累。6、菌株ZS2经过48h的培养,NO3--N的含量从43.21mg/L降低到6.32mg/L,去除率为85.37%,去除速率达0.7685 mg/(L·h);TN的含量从46.72mg/L降低到10.13mg/L,去除率为78.32%,去除速率达0.7623mg/(L·h)。7、从分子水平对菌株ZS1的反硝化机制进行研究,结果证明,菌株ZS1存在硝酸还原酶NarG。8、向草鱼池塘养殖废水中添加菌株ZS1时,在整个为期十天的实验周期里,添加菌株ZS1的实验组从最初的NO3--N浓度48.089 mg/L降低到7.628mg/L,NO3--N的去除率为84.14%。实验组中NO2--N的浓度从1.639mg/L降低到1.393 mg/L,NO2--N的去除率为15.01%,该菌对养殖水体环境起到了很好的调节改善作用。与对照组相比,添加菌株ZS1的实验组中NH4+-N、NO3--N、NO2--N的含量显著低于对照组。
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