高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌及其在生物脱硫中的应用
第一、技术领域
本发明属于微生物分离培养技术领域，具体涉及一种微氧硫微螺菌及其在生物脱硫中的应用，尤其涉及一种高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌及其在生物脱硫中的应用。
第二 、背景技术
生物脱硫技术可以在常温常压下将气体中的H2S除去，并生成单质硫产品。与传统物理、化学方法相比，生物脱硫技术具有条件温和、无二次污染、不会堵塞系统等优点，目前已经应用于天然气、沼气等脱硫工程中。该技术中所使用的脱硫菌主要为化能自养微生物，可以利用CO2为碳源，同时在氧化S2-的过程中获得能量。待处理气体中的硫化氢(H2S)在吸收塔中通过碱液吸收，转化成HS-而进入水相中，HS-被脱硫微生物吸附进入微生物细胞内，在有O2条件下，微生物将S2-氧化为单质硫，同时碱液被再生，重新吸收硫化氢。
在生物脱硫过程中，硫氧化菌除了可以将硫化物氧化为单质硫外，还会不可避免地将一定量的单质硫继续氧化为硫酸盐。单质硫的过氧化会给脱硫系统带来诸多问题，如单质硫得率降低;系统pH下降，硫化氢吸收效率降低;脱硫系统稳定性变差等。目前所用硫氧化菌在控制氧化还原电位最优的条件下，单质硫得率一般在80-85%，仍有10%以上的单质硫转化为硫酸盐进入脱硫体系，长期运行会造成系统酸化，严重影响脱硫效率。因此，筛选出单质硫产率高的嗜盐嗜碱脱硫菌株，将有助于解决目前生物脱硫领域面临的系统酸化问题，进一步提高生物脱硫技术性能和市场接受度。
第三、发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微氧硫微螺菌及其在生物脱硫中的应用，尤其提供一种高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌及其在生物脱硫中的应用。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌，所述高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌命名为微氧硫微螺菌(Thiomicrospira microaerophila)BDL05菌株，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏时间为2020年6月10日，保藏编号为CGMCC No.20060，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
本发明所涉及的“高产单质硫”是指利用本发明所述微氧硫微螺菌处理含硫气体或废水时，单质硫的生成率大于95%。
本发明所涉及的微氧硫微螺菌BDL05菌株分离自内蒙古巴丹吉林沙漠盐碱湖岸边沉积物，具有在高盐高碱条件下，氧化硫化物产生单质硫的特性。该菌属于化能自养微生物，细胞能量来自于硫氢化物、单质硫、硫代硫酸钠等还原态含硫化合物氧化产生的化学能，碳源来自大气中的二氧化碳，可在pH8.0-12.0、0.5-4.0M Na+的高盐高碱条件下生长。
本发明所涉及的微氧硫微螺菌BDL05菌株的分离培养方法如下：
(1)采集内蒙古巴丹吉林沙漠盐碱湖岸边沉积物，取1g样品置于100mL硫代硫酸钠的液体培养基中，30℃、150rpm摇床震荡培养60h;
(2)取1mL悬浊液接种于100mL硫代硫酸钠液体培养基中，继续30℃、150rpm摇床震荡培养60h;
(3)取100μL悬浊液涂布于硫代硫酸钠固体培养基表面，30℃静置培养60h，挑选白色菌落进行复筛、鉴定;
其中，硫代硫酸钠液体培养基包括如下成分：30g/L Na2S2O3、30g/L NaHCO3、5g/LNaOH、10g/L NaCl、0.5g/L NH4Cl、0.5g/L KNO3、2.0g/L K2HPO4、0.1g/L MgCl2。
其中，硫代硫酸钠固体培养基中其它成分：30g/L Na2S2O3、30g/L NaHCO3、5g/LNaOH、10g/L NaCl、0.5g/L NH4Cl、0.5g/L KNO3、2.0g/L K2HPO4、0.1g/L MgCl2、1.5%琼脂粉;
经多次纯化后，获得一株可产单质硫的微氧硫微螺菌BDL05。
第二方面，本发明提供一种如上所述的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌的培养方法，所述培养方法包括将所述高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌在含有硫代硫酸钠的培养基中培养。
优选地，所述含有硫代硫酸钠的培养基包括Na2S2O3、NaHCO3、NH4Cl、KNO3、K2HPO4和MgCl2。
优选地，所述含有硫代硫酸钠的培养基还包括NaOH和/或NaCl。
优选地，所述含有硫代硫酸钠的培养基以质量浓度计包括10-30g/L Na2S2O3、30-60g/L NaHCO3、0-30g/L NaOH、0-100g/L NaCl、0.1-1.0g/L NH4Cl、0.1-1.0g/L KNO3、0.5-5.0g/L K2HPO4和0.05-0.3g/L MgCl2。
所述Na2S2O3的质量浓度可以为10g/L、15g/L、20g/L、25g/L或30g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述NaHCO3的质量浓度可以为30g/L、35g/L、40g/L、45g/L、50g/L、55g/L或60g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述NaOH的质量浓度可以为5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L或30g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述，当质量浓度为0时，表示不添加NaOH。
所述NaCl的质量浓度可以为5g/L、10g/L、20g/L、30g/L、40g/L、50g/L、60g/L、80g/L或100g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述，当质量浓度为0时，表示不添加NaCl。
所述NH4Cl的质量浓度可以为0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L、0.4g/L、0.5g/L、0.6g/L、0.7g/L、0.9g/L或1.0g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述KNO3的质量浓度可以为0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L、0.4g/L、0.5g/L、0.6g/L、0.7g/L、0.9g/L或1.0g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述K2HPO4的质量浓度可以为0.5g/L、0.6g/L、0.8g/L、1.0g/L、1.5g/L、2.0g/L、3.0g/L、4.0g/L或5.0g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述MgCl2的质量浓度可以为0.05g/L、0.1g/L、0.15g/L、0.2g/L、0.25g/L或0.3g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述含有硫代硫酸钠的培养基的pH值为8.0-12.0，例如pH=8.0、pH=9.0、pH=10.0、pH=11.0或pH=12.0等，钠离子浓度为0.5-4.0M，例如0.5M、1.0M、1.5M、2.0M、2.5M、3.0M或4.0M等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
第三方面，本发明提供一种如上所述的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌在对含硫化氢气体进行生物脱硫中的应用。
在本发明中，所述应用的方法包括如下步骤：
(1)用碱性洗涤液吸收气体中的硫化氢，形成高含硫溶液;
(2)将如上所述的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌接种于步骤(1)得到的高含硫溶液中进行脱硫处理。
在上述脱硫处理过程中，微氧硫微螺菌将硫氢化钠氧化为单质硫，生成氢氧化钠;单质硫经过团聚形成微米级硫颗粒，自然沉降0.1min-2h后，从生物反应器中排出，达到脱硫目的;排出硫颗粒的碱液将继续循环用于对气体中硫化氢的吸收。单质硫的生成率大于95%，硫化氢脱除率达到99%以上。
优选地，所述气体包括天然气、沼气、石油炼制气、煤炼制气、填埋气或粘胶纤维生产废气。
优选地，所述碱性洗涤液含有碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钠中的任意一种或至少两种的组合;所述至少两种的组合例如碳酸钠和碳酸氢钠的组合、碳酸氢钠和氢氧化钠的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述碱性洗涤液的pH值为8.0-12.0，例如pH=8.0、pH=9.0、pH=10.0、pH=11.0或pH=12.0等，钠离子浓度为0.5-4.0M，例如0.5M、1.0M、1.5M、2.0M、2.5M、3.0M或4.0M等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述高含硫溶液中硫氢化钠的浓度为1.0-3.0g/L，例如1.0g/L、1.5g/L、2.0g/L、2.5g/L或3.0g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌的接种量为1-5%，例如1%、2%、3%、4%或5%等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
第四方面，本发明提供一种如上所述的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌在对含硫化物碱性废水进行生物脱硫中的应用。
在本发明中，所述应用的方法包括如下步骤：
将如上所述的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌接种于含硫化物碱性废水中，进行脱硫处理。
在上述脱硫处理过程中，微氧硫微螺菌将硫化物氧化为单质硫，同时碱再生;单质硫经过团聚形成微米级硫颗粒，自然沉降0.1min-2h后，从生物反应器中排出，达到脱硫目的，单质硫的生成率大于95%。
优选地，所述含硫化物碱性废水包括皮革废水、石油炼化废水、农药生产废水或合成氨废水。
优选地，所述含硫化物碱性废水的pH为8.0-12.0，例如pH=8.0、pH=9.0、pH=10.0、pH=11.0或pH=12.0等，钠离子浓度为0.5-4.0M，例如0.5M、1.0M、1.5M、2.0M、2.5M、3.0M或4.0M等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述含硫化物碱性废水中硫化物的浓度为0.1-3.0g/L，例如0.1g/L、0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、2.5g/L或3.0g/L等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌的接种量为1-5%，例如1%、2%、3%、4%或5%等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述含硫化物碱性废水的氧化还原电位为-150～-400mV，例如-150mV、-200mV、-250mV、-300mV、-350mV或-400mV等，上述数值范围内的具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述含硫化物碱性废水的氧化还原电位的调节方式包括调节氧气的供应量。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所涉及的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌(Thiomicrospiramicroaerophila BDL05)能在高盐高碱的条件下氧化硫氢化物生成单质硫，单质硫得率达到95%以上，显著提高生物脱硫系统的稳定性，扩展生物脱硫技术的应用范围。
第四、附图说明
图1是本发明所涉及的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌(Thiomicrospiramicroaerophila BDL05)的菌落形态图;该菌落的保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏时间为2020年6月10日，保藏编号为CGMCC No.20060，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
图2是本发明所涉及的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌(Thiomicrospiramicroaerophila BDL05)的革兰氏染色图;
图3是本发明所涉及的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌(Thiomicrospiramicroaerophila BDL05)的进化地位图;
图4是本发明所涉及的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌(Thiomicrospiramicroaerophila BDL05)的生长和代谢曲线图;
图5是本发明所涉及的高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌(Thiomicrospiramicroaerophila BDL05)用于脱硫处理的硫化物脱除率和单质硫生成率随时间的变化图。
第五、具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌BDL05的筛选分离方法，操作如下：
(1)采集内蒙古巴丹吉林沙漠盐碱湖岸边沉积物，取1g样品置于100mL硫代硫酸钠的液体培养基中，30℃、150rpm摇床震荡培养60h;
(2)取1mL悬浊液接种于100mL硫代硫酸钠液体培养基中，继续30℃、150rpm摇床震荡培养60h;
(3)取100μL悬浊液涂布于硫代硫酸钠固体培养基表面，30℃静置培养60h，挑选白色菌落进行复筛、鉴定;
其中，硫代硫酸钠液体培养基包括如下成分：30g/L Na2S2O3、30g/L NaHCO3、5g/LNaOH、10g/L NaCl、0.5g/L NH4Cl、0.5g/L KNO3、2.0g/L K2HPO4、0.1g/L MgCl2。
其中，硫代硫酸钠固体培养基中其它成分：30g/L Na2S2O3、30g/L NaHCO3、5g/LNaOH、10g/L NaCl、0.5g/L NH4Cl、0.5g/L KNO3、2.0g/L K2HPO4、0.1g/L MgCl2、1.5%琼脂粉;
经多次纯化后，获得一株可产单质硫的微氧硫微螺菌BDL05。
对得到的微氧硫微螺菌BDL05的菌落形态进行观察，如图1所示：菌落呈白色、类圆形、边缘不整齐，培养后期，白色菌落逐渐变为透明状。
对得到的微氧硫微螺菌BDL05进行革兰氏染色，呈阴性，如图2所示。微氧硫微螺菌BDL05的进化地位如图3所示。
对得到的微氧硫微螺菌BDL05进行16S rDNA序列测定，序列如下：
GAAGTGCGCAGCTACCATGCAGTCGAACGGTAACAGAAGAGCTTGCTCTTGCTGACGAGTGGCGGACGGGTGAGTAATGCATAGGAATCTGCCCTCTAGTTGGGGATACCGTAGGGAAACTTACGTTAATACCGAATAGTCTCTAAGGAGTAAAGGTGGCCTCTACTTGTAAGCTATCGCTAGAGGATGAGCCTATGTTAGATTAGCTAGTTGGTGAGGTAATGGCTCACCAAGGCGACGATCTATAGCTGGTTTGAGAGGATGATCAGCCACACTGGGACTGAGACACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTGGGGAATATTGGACAATGGGCGCAAGCCTGATCCAGCCATGCCGCGTGTGTGAAGAAGGCCCGAGGGTTGTAAAGCACTTTTAGCGAGGAGGAAAGGATGTAGATTAATACCCTGCATCTGTGACGTTACTCGCAGAAAAAGCACCGGCTAACTCTGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACAGAGGGTGCAAGCGTTATTCGGAATTACTGGGCGTAAAGCGCGCGTAGGCGGATTGTTAAGTCAGTTGTGAAAGCCCTGGGCTCAACCTAGGAACGGCGATTGAAACTGGCAATCTAGAGTTTAGTAGAGGGAAGGGGAATTTCTGGAGTAGCAGTGAAATGCGTAGATATCAGAAGGAACATCAGTGGCGAAGGCGCCTTCCTGGACTAAAACTGACGCTGAGGTGCGAAAGCGTGGGGAGCAAACGGGATTAGATACCCCGGTAGTCCACGCCCTAAACGATGTCAACTAGCTGTTGGTCTTATTAAAAAGATTAGTAGCGCAGCTAACGCGATAAGTTGACCGCCTGGGGAGTACGGTCGCAAGATTAAAACTCAAAGGAATTGACGGGGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAATTCGATGCAACGCGAAGAACCTTACCATCCCTTGACATCCACAGAACTTTCCAGAGATGGATTGGTGCCTTCGGGAGCTGTGAGACAGGTGCTGCATGGCTGTCGTCAGCTCGTGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTATCATTAG。
以上分析结果表明其为微氧硫微螺菌(Thiomicrospira microaerophila)。
实施例2
本实施例探究微氧硫微螺菌BDL05利用硫代硫酸钠生长的特征，操作如下：
将4℃保存的硫微螺菌BDL05菌种划线活化培养后，接种于100mL硫代硫酸钠液体培养基中，置30℃、160r/min摇床培养30h，进入对数生长期，作为种子液备用。以2%的接种量接种于100mL硫代硫酸钠液体培养基中，定时取样，分别测定S2O32-浓度、SO42-浓度和OD值随时间的变化。
其中，硫代硫酸钠液体培养基包括如下成分：30g/L Na2S2O3、30g/L NaHCO3、5g/LNaOH、10g/L NaCl、0.5g/L NH4Cl、0.5g/L KNO3、2.0g/L K2HPO4、0.1g/L MgCl2。
菌株BDL05培养的生长曲线以及S2O32-和SO42-浓度的变化如图4所示，由图4可知：在30℃、160r/min的条件下，菌株前7h生长较为缓慢;经过适应调整期后，菌株BDL05快速生长，在32h时培养液菌体OD达到0.6，之后OD值开始下降;S2O32-浓度最初为44mmol/L，随着培养时间延长，S2O32-浓度持续下降，在32h时降至0.85mmol/L;SO42-浓度随着培养时间延长逐渐升高，至40h时SO42-浓度达到70.3mmol/L。硫利用速率为1.34mmol/L/h。
说明了BDL05可以利用硫代硫酸钠进行生长，上述硫代硫酸钠液体培养基可以作为培养BDL05的培养液。
实施例3
本实施例将微氧硫微螺菌BDL05用于含硫化氢气体的处理，操作如下：
(1)准备测试用含硫化氢的气体，其中含6000ppm硫化氢，其余为氮气。
(2)将含硫化氢气体逆流经过吸收塔，期间，气体与碱液接触，其中硫化氢被碱液吸收，形成高含硫氢化钠的高硫溶液;高硫溶液进入生物反应器;在生物反应器中，通过控制氧化还原电位，微氧硫微螺菌BDL05将硫氢化物氧化为单质硫，同时碱液再生，循环利用;
其中，碱液为含有碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钠的水溶液，pH值为9.7，钠离子浓度为3.0M;高硫溶液中硫氢化钠的浓度为2g/L。生物硫氧化过程中，通过曝气量控制硫氧化产物，将氧化还原电位控制在-380mv左右。
经计算，单质硫生成率达到95%以上;净化后气体中硫化氢含量低于10ppm，硫化氢的去除率达到99%以上。说明了微氧硫微螺菌BDL05具有高效的硫氧化能力，单质硫生成率和硫化氢脱除率等指标达到或超过现有菌株，可以应用于含硫化氢气体的处理中。
实施例4
本实施例将微氧硫微螺菌BDL05用于碱性硫化物废水的处理，操作如下：
(1)准备测试用废水为制革企业脱毛工段废水，其中硫化钠达到2500mg/L，pH为11.0，钠离子浓度达到2.5M。
(2)上述废水经过过滤除去大块脂肪等物质;然后将微氧硫微螺菌BDL05种子液以5%的接种量加入到含硫废水中;通过调控曝气量，控制氧化还原电位在-350mv左右，微氧硫微螺菌BDL05将硫氢化物氧化为单质硫，单质硫通过沉降作用，从废水中分离出来。持续实验15天，不间断地测定废水中硫化物浓度和单质硫得率。
结果如图5所示，单质硫生成率达到95%以上;净化后废水中硫化钠含量低于25mg/L，硫化钠的去除率达到99%以上。说明了微氧硫微螺菌BDL05具有高效的硫氧化能力，单质硫生成率和硫化物脱除率等指标达到或超过现有菌株，可以应用于含硫化物废水的处理中。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的一种高产单质硫的嗜盐嗜碱性微氧硫微螺菌及其在生物脱硫中的应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
