对来自环境污水的可溶性硫酸盐进行的自维持性微生物脱毒的制作方法

对来自环境污水的可溶性硫酸盐进行的自维持性微生物脱毒的制作方法
【专利摘要】用于对来自环境污水的可溶性硫酸盐进行生物治理的方法和系统包括第一室和第二室，所述第一室包括固定在第一基质上的乳酸菌(LAB)；所述第二室包括固定在第二基质上的硫酸盐还原菌(SRB)。所述方法包括提供用于产生乳酸的乳酸菌适宜培养基，并将其引入用作用于环境污水中存在的硫酸盐的还原的底物/电子供体的硫酸盐还原菌的培养物中。
【专利说明】对来自环境污水的可溶性硫酸盐进行的自维持性微生物脱
毒
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年6月10日递交的印度专利申请号701/K0L/2011的权益，其全部内容以引用的方式并入本文中以用于任何及全部的目的。
【技术领域】
[0003]本技术大体上涉及用于对环境污水进行生物治理的方法和系统。特别是，本技术涉及通过硫酸盐还原菌来减少污水中存在的可溶性硫酸盐。
【背景技术】
[0004]在最近几十年中由于各种人类活动而导致地下水中硫酸盐的污染增多。来自矿山的污水将大量的硫酸盐释放到环境中，导致不适宜排放的水进入到环境中或供人类使用。此外，由于农业应用造成的地下水位的降低导致氧侵入缺氧层，将硫化亚铁氢氧化铁
(III)，并生成硫酸盐。其渗入地下水中，导致硫酸盐的浓度增大。硫酸盐也会由诸如腐烂的植物和动物等来源；以及农业、纺织业和制造业中使用的化学品渗入到供水中。
[0005]地下水的硫酸盐污染会导致许多人类健康危害。使用硫酸盐超过500mg/L的水导致泻下作用，造成肠胃不适、腹泻，并最终导致脱水。此外，硫酸盐的存在范围为250mg/L~1000mg/L时会使水的味道令 人不快。还有报道称硫酸盐的污染会导致地表水的富营养化，并增大水的腐蚀性。
[0006]减少硫酸盐污染的方法包括通过反渗透、蒸馏或使用钡等化学品进行的沉淀来脱盐。然而，应用于工业规模时脱盐惊人的昂贵。另外，尽管使用氯化钡来化学减少硫酸盐也确保了重金属的大幅度减少，但是为有效修复硫酸盐需要极高水平的氯化钡，致使该方法在工业规模上是不可行的。
[0007]生物治理是用于减少地下水中的硫酸盐浓度的替代性处理选择。不过，使用硫酸盐还原菌(SRB)群落处理废水中的可溶性硫酸盐存在一些限制。例如，必须维持SRB的连续供给，而且所述细菌要求底物/电子供体的连续供给，以支持硫酸盐的还原。尽管乳酸是极为有效的SRB底物，不过与运行使用市售乳酸的反应器有关的成本却相当显著。

【发明内容】

[0008]本文中提供了用于自维持性硫酸盐生物治理的方法和系统。所述系统包括用于产生乳酸的乳酸菌((lactic acid bacteria, LAB)的固定培养物,乳酸用作底物/电子供体以用于通过单独的SRB培养物(culture)来进行异化硫酸盐还原。使用内部乳酸源来支持SRB介导的硫酸盐还原消除了对商用乳酸的需要，实质上降低了大规模硫酸盐生物治理的成本。
[0009]在一个方面中，提供一种用于除去水中的可溶性硫酸盐的系统。通常，所述系统包括第一室和第二室，所述第一室包括固定在第一基质上的乳酸菌(LAB)培养物，所述第二室包括固定在第二基质上的硫酸盐还原菌(SRB)培养物。在说明性实施方式中，所述第一室与所述第二室流体连通。在一些实施方式中，所述第一室被构造为接收单独的或与环境污水组合的第一培养基，并将第一排放污水释放至所述第二室。在说明性实施方式中，所述第二室被构造为接收单独的或与环境污水组合的所述第一排放污水，并释放第二排放污水。在说明性实施方式中，所述环境污水包含硫酸盐，所述第二排放污水具有与所述环境污水相比降低的硫酸盐浓度。
[0010]在一个方面中，提供一种用于除去环境污水中的硫酸盐的方法。在说明性实施方式中，所述方法包括将第一培养基单独地或与包含硫酸盐的环境污水组合引入包括固定在第一基质上的乳酸菌(LAB)培养物的第一室，其中，所述乳酸菌代谢所述培养基和/或环境污水的成分，并生成乳酸，并且其中，所述第一室释放第一排放污水。在说明性实施方式中，所述方法也包括将来自所述第一室的所述第一排放污水单独地或与环境污水组合引入包括固定在第二基质上的硫酸盐还原菌(SRB)培养物的第二室，其中，所述硫酸盐还原菌代谢所述第一排放污水中存在的乳酸并还原所述第一排放污水和/或环境污水中存在的硫酸盐，以生成第二排放污水。在说明性实施方式中，所述方法也包括由所述第二室释放所述第二排放污水，其中，所述第二排放污水包含与所述环境污水相比降低的硫酸盐浓度。
[0011]在说明性实施方式中，除所述第一排放污水之外，所述第二室包含适合于所述硫酸盐还原菌生长和/或保持的SRB培养基成分。在说明性实施方式中，所述乳酸菌不能在所述第二室中保持的条件下生长。在说明性实施方式中，所述乳酸菌和所述硫酸盐还原菌是纯菌群。在说明性实施方式中，所述乳酸菌和所述硫酸盐还原菌是混合菌群。
[0012]在一个方面中，提供一种用于对环境污水中的硫酸盐进行生物治理的系统。在说明性实施方式中，所述系统包括第一室和第二室，所述第一室包括固定在第一基质上的乳酸菌(LAB)培养物，所述第二室包括固定在第二基质上的硫酸盐还原菌(SRB)培养物。在说明性实施方式中，所述第一室与所述第二室流体连通。在说明性实施方式中，所述第一室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的第一培养基，并将第一排放污水引入所述第二室。在说明性实施方式中，所述第二室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的所述第一排放污水，并释放第二排放污水。在说明性实施方式中，所述第二排放污水包含与所述环境污水相比降低的硫酸盐浓度。
[0013]在说明性实施方式 中，所述第一培养基包含适合于所述乳酸菌的生长和/或保持的营养物。在说明性实施方式中，所述第一排放污水包含比所述第一培养基或环境污水更高浓度的乳酸。
[0014]在说明性实施方式中，所述第二室包含适合于所述硫酸盐还原菌的生长和/或保持的SRB培养基成分。在说明性实施方式中，所述乳酸菌不能在所述第二室中保持的条件下生长。
[0015]在说明性实施方式中，所述第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于所述环境污水的硫酸盐浓度的90%。在说明性实施方式中，所述第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于所述环境污水的硫酸盐浓度的1%。在一个实施方式中，所述第二排放污水具有的硫酸盐浓度大约为O。
[0016]在说明性实施方式中，所述乳酸菌包括由物种卡特拉舭(Gibelion catla)、黄口鯢(Nibea sp.)、南亚野鲮(Labeo rohita)、波拉长嘴鱲(Raiamas bola)、彩虹钻石鲫(Puntius sp)、尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)、印度囊觸 It (Heteropneutesfossilis)、家猪(Sus scrofadomesticus)、家鸡(Gallus domesticus)或家山羊(Capraaegagrus hircus)的肠道，或由发酵的食物、奶制品、柑橘和腐烂的水果、树叶或长草分离出的土著菌株。[0017]在说明性实施方式中，所述硫酸盐还原菌包括土著群落，包括以下属:古生球菌属(Archaeoglobus)、脱硫状菌属(Desulfoarculus)、脱硫细菌属(Desulfobacter)、脱硫菌目(Desulfobacterales)、脱硫杆菌属(Desulfobacterium)、脱硫腊肠杆菌属(Desulfobotulus)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、脱硫球菌属(Desulfococcus)、脱硫微杆菌属(Desulfomicrobium)、脱硫念珠菌属(Desulfomonile)、脱硫线菌属(Desulfonema)、脱硫八叠球菌属(Desulfosarcina)、脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫弧菌目(Desulfovibrionales)、互营杆菌目(Syntrophobacterales)、热脱硫杆菌属(Thermodesulfobacterium)或热脱硫弧菌属(Thermodesulfovibrio)。
[0018]在说明性实施方式中，所述乳酸菌或硫酸盐还原菌包含纯菌群。在说明性实施方式中，所述乳酸菌或硫酸盐还原菌包含混合菌群。
[0019]在说明性实施方式中，所述第一基质和/或第二基质包括天然的、合成的或半合成的材料。在说明性实施方式中，所述第一基质和/或第二基质包括干草、稻草、稻壳、锯屑、麦麸、米糠、脉冲糠(pulse bran)、木片、塑料片材、塑料O形环(plastic o-rings)、金属网、纤维网、藻酸盐珠或合成石棉。
[0020]在说明性实施方式中，所述第一室和/或所述第二室包括圆柱体。在说明性实施方式中，所述第一室和/或所述第二室包括波纹板。在说明性实施方式中，所述第一室和/或所述第二室包括立方体。
[0021]前面的概述仅是说明性的，并非意在进行任何限制。除了前述的说明性的方面、实施方式和特点之外，其他的方面、实施方式和特点将通过参考以下附图和具体描述而变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]根据结合附图的下列描述和所附权利要求，本公开的上述以及其它的特征将变得更加清楚。理解到这些附图仅描述了根据本公开内容的数个实施方式，并不被认为是限制其范围，将通过使用附图用更多特征和细节来描述本公开内容。
[0023]图1A是根据一个实施方式的波纹板生物反应器设计中使用的波纹板的图示。
[0024]图1B是根据一个实施方式的波纹板生物反应器设计中使用的波纹板细菌生长室的图示。
[0025]图2是根据一个实施方式的显示了第一反应室和第二反应室的相对位置的波纹板生物反应器的图示，通过泵使两室流体连通。
[0026]图3是圆柱状生物反应器设计中使用的圆柱状细菌生长室的图示。
[0027]图4是立方形生物反应器设计中使用的立方体细菌生长室的图示。
【具体实施方式】[0028]在【具体实施方式】和权利要求中所表述的实施方式仅是说明性的，而非意在限制。在不背离此处所提出的主题的范围的条件下，可以利用其它实施方式，并且可以进行其它改变。容易理解的是如这里总体描述的，本公开的多个方面可以按各种不同配置进行排列、替换、组合和设计，此处所有这些不同配置是明确想得到的并且构成了本公开的一部分。
[0029]以下提供了对本文中使用的一些术语的定义。除非另作限定，本文中使用的所有科技术语具有与本公开所属领域的技术人员通常所理解的相同的含义。
[0030]如本文所用，除非上下文清楚地另外指定，单数形式“一”、“一个”和“该”可旨在包括复数形式。例如，对“细菌”或“该细菌”的指代包括两种以上细菌的组合等。
[0031]本文中所使用的“约”将为本领域技术人员所理解，并将取决于其被使用的上下文而在一定范围内变化。如果在给出了其被使用的上下文时存在本领域技术人员不清楚的项目使用的情况，则“约”指至多该特定项土 10%。
[0032]本文中使用的“生物治理”指的是使用微生物来除去环境污染物。生物治理非法可以原位进行，其中，被污染的材料在其原址或易地处理，其中，被污染的材料由其原址除去并在其他地方进行处理。
[0033]本文中使用的“异化还原”指的是作为电子传递链中末端电子受体的物质的还原。异化还原与同化还原不同，后者涉及到摄取营养物过程中的物质的还原。
[0034]本文中使用的 “乳酸菌”和“LAB”指的是一组革兰氏阳性的、耐酸的、通常不结孢子的非呼吸的细菌，所述细菌制造作为碳水化合物发酵的最终产物的乳酸。该细菌发现于分解植物和乳酸产物时。说明性的细菌属包括但不限于乳酸杆菌(lactobacillus)、明串珠菌属(Leuconostoc)、足球菌属(Pediococcus)、乳球菌属(Lactococcus)、链球菌属(Streptococcus)、气球菌属(Aerococcus)、肉杆菌属(Carnobacterium)、肠球菌属(Enterococcus)、酒球菌属(Oen ococcus)、芽抱乳杆菌属(Sporolactobacillus)、四联球菌属(Tetragenococcus)、漫游球菌属(Vagococcus)、奇异菌属(Atopobium)和魏斯氏菌属(Weisella)。乳酸菌分离株的说明性来源包括但不限于诸如卡特拉紕、黄口鯢、南亚野鲮、波拉长嘴鱲、彩虹钻石鲫、尼罗罗非鱼、印度囊鳃鲶、家猪、家鸡或家山羊等物种的肠道，或发酵的食物、奶制品、柑橘和腐烂的水果、树叶或长草等。
[0035]本文中使用的“硫酸盐还原菌”和“SRB”指的是在将硫酸盐还原为硫化物，尤其是硫化氢时由有机化合物或分子氢的氧化而获得能量的细菌和古细菌。包括硫酸盐还原菌的细菌属包括但不限于古生球菌属、脱硫状菌属、脱硫细菌属、脱硫菌目、脱硫杆菌属、脱硫腊肠杆菌属、脱硫叶菌属、脱硫球菌属、脱硫微杆菌属、脱硫念珠菌属、脱硫线菌属、脱硫八叠球菌属、脱硫肠状菌属、脱硫弧菌属、脱硫弧菌目、互营杆菌目、热脱硫杆菌属和热脱硫弧菌属等。
[0036]本文中使用的“土著群落”指的是原产于其中执行本文中描述的方法或系统的地理区域的细菌菌群。土著群落也可以由植物来源或动物来源分离，并且可包括纯菌群或混合菌群。
[0037]本文中使用的“SRB培养基”指的是适合于硫酸盐还原菌的生长和/或保持的培养基。SRB培养基的实例包括但不限于DSMZ Medium641,如the Deutsche Sammlungvon Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(German Collection of Microorganismsand Cell Cultures)所推荐。说明性 SRB 培养基每升包括=NH4Cll.0g ；Na2S042.0g ；硫代硫酸钠 x5H201.0g ；MgS04x7H201.0g ；CaCl2x2H200.1g ；KH2PO40.5g ;微量元素溶液SL-1O (以下)1.0ml ;维生素溶液(以下)，10.0ml ;酵母提取物l.0g ;NaHC032.0g ;丙酮酸钠1.0g ;苹果酸钠1.0g ;刃天青0.5mg ；Na2S x9H2075.0mgo各组分溶解在水中(微量元素、维生素、碳酸氢盐、丙酮酸盐、苹果酸盐和硫化钠除外)，沸腾I分钟，冷却至室温，分配到血清瓶中。高压灭菌后，加入剩余的组分，由此完成培养基。将培养基的PH调节至 7.0 ~7.2。微量元素溶液包含，每升:HC1(25%;7.7M) 10.00ml、FeCl2x4H201.50g、ZnCl270.0Omg> MnCl2x4H20100.0Omg> H3B036.0Omg> CoC12x6H20190.0Omg> CuC12x2H202.0Omg>NiCl2x6H2024.00mg,Na2Mo04x2H2036.0Omg。首先，将 FeCl2 溶解在 HCl 中，然后用水稀释，之后加入其它盐。微生物溶液包含，每升:生物素2.0Omg、叶酸2.0Omg、吡哆醇-HCl 10.0Omg、硫胺-HCl x2H205.0Omg、核黄素 5.0Omg、烟酸 5.00mg、d_ 泛酸钙 5.0Omg、维生素 B120.1Omg,对氨基苯甲酸5.0Omg、硫辛酸5.0Omg。
[0038]本文中使用的“环境污水”指的是排放到环境中的包含环境有害物的废水。环境污水的实例包括但不限于被污染的地下水、来自采矿作业的废水、由处理厂、下水道或工业管道排放的污水等。本文中使用的术语包括经处理的水和未经处理的水。
[0039]本文中使用的“排放污水”指的是本文中描述的细菌培养物的上清液。术语“第一排放污水”指的是第一室的乳酸菌的上清液。所述第一排放污水包含由第一室的乳酸菌生成的乳酸，并被引入到第二室中。术语“第二排放污水”指的是第二室的硫酸盐还原菌的上清液。所述第二排放污水包含与第一排放污水和环境污水相比降低的硫酸盐浓度。
[0040]本文中使用的“硫酸盐”指的是硫酸的可溶性盐，包含经验式S042-的多价阴离子。适合于本文中描述的方法 和系统的硫酸盐包括所有的水溶性硫酸盐。
[0041 ] 本文中使用的术语“基质”指的是本文中描述的细菌可以附着的并且与本文中描述的培养条件相容的任何天然的、合成的或半合成的材料。在说明性实施方式中，基质材料包括天然的、合成的或半合成的材料。说明性天然基质材料包括但不限于干草、稻草、稻壳、锯屑、麦麸、米糠、脉冲糠、木片、天然石棉和藻酸盐珠。说明性合成基质材料包括但不限于合成石棉、合成橡胶、酚醛塑料(聚氧苄基甲基乙二醇酸酐)、氯丁橡胶、尼龙、PVC、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、PVB和硅树脂。说明性的半合成基质材料包括但不限于硫化橡胶、火棉和二醋酸纤维素。基质材料可采取与使用的具体的培养条件相容的任何形式，例如片材、O形环(Ο-ring)、网或珠。
[0042]在实施本文中描述的技术时，使用了很多传统的化学、生物化学和微生物学的技术。这些技术在本领域中是公知的，并被提供在任何数量的可以得到的出版物中，包括The Prokaryotes: Symbiotic Associations,Biotechnology, Applied Microbiology, Martin,Ed., Springer(2006) ；Bioremediation Protocols,第 2 卷,Sheehan, Ed., HumanaPress (1997) ；Methods in Microbiology, Vol.19, Bergan, Ed., Elsevier Science (1984)；Norris 和 Ribbons, Methods in Microbiology, Academic Press (1971)。
[0043]提供用于除去环境污水中的硫酸盐或对其进行生物治理的方法和系统。通常，本文中描述的方法和系统包括固定在基质上的乳酸菌(LAB)的培养物和固定在基质上的SRB的群落，其中，固定的LAB和SRB保持在各自的生物反应器中，并且所述生物反应器流体连通。通常，所述方法包括提供具有适合于乳酸的产生的培养基的LAB培养物，进而将乳酸引入SRB群落中，该群落用作环境污水中的可溶性硫酸盐异化还原时的底物/电子供体。[0044]在说明性实施方式中，本文中描述的系统包括第一室和第二室，所述第一室包括固定在第一基质上的LAB培养物，所述第二室包括固定在第二基质上的SRB培养物。在说明性实施方式中，所述第一室与所述第二室流体连通。所述第一室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的第一培养基，并释放第一排放污水。第一室还包括适合于LAB的生长和/或保持的第一培养基。所述第二室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的所述第一排放污水，并释放第二排放污水。第二室还包括适合于SRB的生长和/或保持的第二培养基。在说明性实施方式中，SRB培养基不包含乳酸。
[0045]在说明性实施方式中，第一室的LAB代谢第一培养基中存在的碳水化合物，并生成乳酸，以致第一排放污水包含比第一培养基或环境污水更高浓度的乳酸。第一排放污水被引入第二室。第二室的SRB使用第一排放污水中的乳酸作为用于对环境污水中存在的硫酸盐进行异化还原的底物/电子供体，因此第二排放污水包含的硫酸盐的浓度比第一排放污水和环境污水低。
[0046]使用本领域中已知的方法可以监测第二排放污水的硫酸盐浓度。实施例1中给出了用于测定硫酸盐减少的说明性方法。在说明性实施方式中，第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于环境污水的硫酸盐浓度的90%。在各种实施方式中，第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于环境污水的硫酸盐浓度的50%、25%、10%或5%。在替代性实施方式中，第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于环境污水的硫酸盐浓度的1%。在理想的实施方式中，第二排放污水具有的硫酸盐浓度为约O。
[0047]任何包含可溶性硫酸盐的污水都可以经历本文中描述的所述方法和系统。已知生成大量可溶性硫酸盐的说明性实践包括但不限于采矿作业、使用硫酸铵肥料、用硫酸铵处理水、织物染色时使用硫酸铜、皮革鞣制、矿物燃料的燃烧和诸如金属冶炼等工业活动。所述方法可以在产生环境污水的场所(原位)进行，或者污水也可以移至另外的处理场所(异地)。
[0048]就操作成本和效率`而言，所述方法和系统在除去环境污水中的硫酸盐或对其进行生物治理时是有利的。在基质材料上固定细菌培养物降低了与连续生产起始培养物有关的成本。在LAB的情况中，使用固定培养物改进了随时间推移的乳酸生产的连贯性。此外，所述系统的乳酸的内部产生消除了对商用乳酸供给的需要，大幅度降低了 SRB培养基的成本。这些特点尤其使得本文中描述的方法和系统具有可行性，并且对于大规模操作而言是成本有效的。
[0049]乳酸菌(LAB)
[0050]本文中描述的方法和系统包括用于产生乳酸的LAB，乳酸则用作异化还原硫酸盐时的用于SRB的底物/电子供体。LAB产生乳酸作为碳水化合物发酵的代谢最终产物。包括LAB的说明性种属包括但不限于奇异菌属、杆菌属、链球菌属、乳酸杆菌属、明串珠菌属、足球菌属、乳球菌属、链球菌、气球菌属、肉杆菌属、肠球菌属、酒球菌属、芽孢乳杆菌属、四联球菌属、漫游球菌属和魏斯氏菌属。
[0051]基于碳水化合物的代谢途径对LAB进行分组。通常，LAB使用两种途径之一。在葡萄糖过量而氧有限的条件下，纯乳酸的LAB以埃姆登-迈耶霍夫-帕那斯(EMP)途径代谢掉一摩尔葡萄糖，而产生两摩尔丙酮酸盐。通过NADH的氧化维持细胞内的氧化还原平衡，并伴随着丙酮酸盐还原为乳酸。通常，同型发酵的最终产物包含大于85%的乳酸。[0052]异型发酵的LAB采用磷酸戊糖途径(又名戊糖磷酸酮酶途径)，其中，一摩尔的葡萄糖-6-磷酸盐脱氢为6-磷酸葡萄糖酸盐，并脱羧酸而生成一摩尔的C02。得到的戊糖-5-磷酸盐随后分裂，生成一摩尔的磷酸甘油醛(GAP)和一摩尔的乙酰磷酸。GAP进一步代谢为乳酸盐，而乙酰磷酸则还原为乙醇。典型地，异型发酵的最终产物包含50%的乳酸，以及大量的乙醇和CO2。
[0053]代表性纯乳酸LAB种属包括乳球菌属、肠球菌属、链球菌属、足球菌属和组I乳酸杆菌属(如嗜酸乳酸杆菌(L.acidophilus)、德氏乳酸杆菌(L.delbrueckii)、瑞士乳酸杆菌(L.helveticus)和唾液乳酸杆菌(L.salivarius))。专性异型发酵的LAB包括明串珠菌属、酒球菌属、魏斯氏菌属和组II乳酸杆菌(如短乳酸杆菌(L.brevis)、布氏乳酸杆菌(L.buchneri)、发酵乳酸杆菌(L.fermentum)和罗伊氏乳酸杆菌(L.reuteri))。LAB的这两组均与本发明的方法相容。
[0054]本文中描述的方法和系统可选地包括纯LAB种群或混合种群。所述方法可选地包括获自既定来源的具有已知特性的LAB，或来自本土或其他来源的新近分离出的LAB。可以使用本领域中已知的方法来分离并表征LAB菌株。乳酸菌分离株的说明性来源包括但不限于诸如卡特拉紕、黄口鯢、南亚野鲮、波拉长嘴鱲、彩虹钻石鲫、尼罗罗非鱼、印度囊鳃鲶、家猪、家鸡或家山羊等物种的肠道。LAB也可以分离自发酵的食物、奶制品、柑橘和腐烂的水果、树叶或长草等。实施例1中给出了 LAB分离和表征的说明性方法。
[0055]对用于所述方法和系统中的LAB菌株的选择取决于许多因素。LAB应当产生足够水平的乳酸以维持第二室的固定的SRB。LAB优选产生的乳酸的水平为生成的总可滴定酸的至少4.0%~至少30%。测试LAB生成乳酸的方法在本领域中是已知的。实施例1中给出了测定乳酸菌生成乳酸的说明性方法。
[0056]另外，将基于其支持通过SRB进行的硫酸盐的异化还原的能力来选择LAB。通常情况下支持异化硫酸盐还原的能力与高水平的乳酸生产相关联，但并非总是如此。因此，除了乳酸的生产水平之外，且与该水平无关，应当关于这一点来表征LAB。测定LAB支持异化硫酸盐还原的能力的方法在本领域`中是已知的。实施例1中给出了说明性方法。
[0057]另外，用于所述方法和系统的LAB可以这样选择，以使包含固定的SRB培养物和SRB培养基的第二室中的培养条件对于LAB的生长并非最佳。该特征将限制第二室与第一排放污水中不利的含有的自由浮动的LAB的交叉污染。可以另外选择LAB以使对于菌株的周围环境生长条件与使用的SRB菌株的条件相似。
[0058]用于本文中所描述的方法和系统的LAB培养条件将取决于所用的精确菌株。不过，条件通常包括含有葡萄糖、乳糖或能够转化成乳酸的等同物的培养基。在说明性实施方式中，LAB可生长在具有1%右旋糖的Luria Bertani (LB)培养基中。细菌可以在温度为15°C~55°C时，在酸性至适度碱性pH的条件下生长。取决于所使用的LAB菌株，条件可以为需氧的、微需氧的或厌氧的。培养LAB的普通方法在本领域中是已知的。实施例1和2中给出了说明性LAB培养条件。
[0059]在第一室中由LAB来产生乳酸可以通过使用本领域中已知的方法来进行周期性监测。乳酸生产的水平和效率可以解释为LAB培养物的健康状况以及增加或更换培养物的需要的指示。实施例1中提供了用于测定细菌培养物上清液中的乳酸的说明性方法。
[0060]硫酸盐还原菌(SRB)[0061 ] 所述方法和系统包括用于将来自环境污水的硫酸盐异化还原的SRB。SRB是使用硫酸盐作为末端电子受体的严格厌氧菌或兼性厌氧菌。通过SRB还原硫酸盐生成了硫化物，尤其是硫化氢气体。包括SRB的细菌种属包括但不限于古生球菌属、脱硫状菌属、脱硫细菌属、脱硫菌目、脱硫杆菌属、脱硫腊肠杆菌属、脱硫叶菌属、脱硫球菌属、脱硫微杆菌属、脱硫念珠菌属、脱硫线菌属、脱硫八叠球菌属、脱硫肠状菌属、脱硫弧菌属、脱硫弧菌目、互营杆菌目、热脱硫杆菌属、热脱硫弧菌属等。
[0062]所述方法和系统可选地包含纯SRB种群或混合种群。所述方法可选地包括获自既定来源的具有已知特性的SRB，或来自本土或其他来源的新近分离出的SRB。可以使用本领域中已知的方法来分离并表征SRB菌株。SRB分离株的说明性来源包括但不限于废水供给的鱼塘、沼泽地、温泉、制革废水和废料堆积场。在说明性实施方式中，SRB分离自印度加尔各答的东加尔各答湿地(East Calcutta Wetland)。
[0063]用于本文中描述的方法的SRB培养条件将取决于所用的精确的菌株。对于所有的SRB，条件必须是严格厌氧的，SRB培养基必须用氮气脱气。在所述方法中，制备SRB培养基以使其不含乳酸。在说明性实施方式中，SRB培养基是DSMZ Medium641 JBDeutscheSammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(German Collection ofMicroorganisms and Cell Cultures)所推荐,并修饰为缺乏乳酸。可以选择SRB菌株以使周围环境生长条件与使用的LAB菌株的条件相似。
[0064]在第二室中由SRB来还原硫酸盐可以通过使用本领域中已知的方法来进行周期性监测。硫酸盐还原的水平和效率可以解释为SRB培养物的健康状况以及增加或更换培养物的需要的指示。实施例1中提供了用于测定硫酸盐还原的说明性方法。
[0065]系统和生物反应器设计
[0066]所述系统包括第一室和第二室，其中所述第一室与所述第二室流体连通。通常，第一室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的第一培养基，并释放第一排放污水。所述第二室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的所述第一排放污水，并释放第二排放污水。通常，所述系统被设计为使得存在第一室至第二室的单向流动。
[0067]本文中描述的室可以可选地由丙烯酸材料(acrylic)、玻璃或不会被乳酸腐蚀的其他材料构成。
[0068]第一室和第二室可具有合适的形状，以有利于细菌的生长和保持，其中，废水的流动得到有效的控制。因此，在一个实施方式中，第一室和/或第二室为圆柱状。在其他的实施方式中，第一室和/或第二室为立方形。在替代性实施方式中，第一室和/或第二室为由一定长度的管所隔开的波纹板。图1A中示出了反应器的波纹板部分10。如以上概略描述的，波纹板部分10包括由管道或暗销(doweling) 30隔开的板材20。管道或暗销30隔开板材20，以致板材不会相互折叠(collapse)，由此能够防止反应器中板材与流体的有效接触。图1B是设置在反应器本体40内的波纹板部分10的图示。反应器本体40也包括两个以上的阀50、51、52和53。所述阀门可以是入口阀或出口阀。在一些实施方式中，废水通过反应器的流动是由底部流向顶部。在该实施方式中，阀50可以是入口阀，阀51可以为出口阀。在其他的实施方式中，废水的流动可以为从底部至顶部，因此阀51可以为入口阀，而阀51、52和53中的一个或多个可以为出口阀。在另一些其他的实施方式中，废水通过反应器的流动可以为交叉方式，阀51作为入口阀，阀53作为出口阀。可以修改精确的流动设计以适应不同的反应器系统和实施方式。
[0069]图2是具有LAB反应器140和SRB反应器240的反应器系统100。反应器140和240均与图1所示的模型反应器的结构类似。图2中，反应器系统100被描绘为容纳由反应器的底部至顶部的污水流。污水进入入口阀150，通过支持固定的LAB菌株的波纹板系统110向上行进。污水然后由出口阀151流出，并经由泵160被泵送至SRB反应器240。污水经由入口阀250进入SRB反应器240，通过波纹板系统210向上行进，并由出口阀251流出。所述泵可以是本领域中已知的任何泵。例如，所述泵可以为蠕动泵。
[0070]其他的反应器设计示于图3和4中。图3中，示出了圆柱状反应器300。反应器300中填充有在反应器中支持细菌的基质材料310。基质材料也包括穿孔320，以允许流体移动并与基质材料310接触并由其穿过。阀350、351引导污水流通过反应器300。图4中，示出了立方形反应器400。反应器400中填充有在反应器中支持细菌的基质材料410。基质材料也包括孔420，或穿孔，以允许流体移动并与基质材料410接触并由其穿过。阀450、451引导污水流通过反应器400。
[0071]如上所述，细菌可以固定在诸如波纹系统的板材等基质材料上。基质的使用提供双重目的，增大可用于细菌生长的室内的表面积，并固定细菌以使其不致包含在离开室的排出污水中。可以使用任何与公开的方法相容的基质材料，第一基质材料和第二基质材料可以基于第一室和第二室中维持的条件而独立的选择。在说明性实施方式中，所述基质材料包括天然的、合成的或半合成的材料。说明性的天然基质材料包括但不限于干草、稻草、稻壳、锯屑、麦麸、米糠、脉冲糠、木片、天然石棉和藻酸盐珠。说明性合成基质材料包括但不限于合成石棉、合成橡胶、酚醛塑料(聚氧苄基甲基乙二醇酸酐)、氯丁橡胶、尼龙、PVC、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、PVB和硅树脂。说明性半合成基质材料包括但不限于硫化橡胶、火棉和二醋酸纤维素。
[0072]基质材料可以采取与使用中的具体的培养条件相容的任何三维形式，包括但不限于片材、0形环、网或珠。在说明性实施方式中，将基质材料首先添加到室中，随后加入细囷培养物。在替代性实施方式中，`基质材料与细菌组合，然后再加入到室中。
[0073]对具体基质材料的选择将取决于使用的细菌的特性和操作者的偏爱。例如，基质材料可基于特定的细菌附着该材料的能力而选择，或者基于其在使用的培养条件下的预期的保存期来选择。
[0074]实施例
[0075]通过以下实施例将进一步说明本文中公开的方法和系统，这些实施例不应当解释为以任何方式进行的限制。
[0076]实施例1:LAB菌株的分离和表征
[0077]概要:对于LAB的存在测试四十五种动物、植物和食物来源。在补充有碳酸钙的Luria Bertani (LB)板上培养各来源的水样。使用萨-巴二氏(Barker和Summerson)的改良法，138J.Biol.Chem.535 (1941)分离出十六个LAB菌株并分析乳酸的生成。在十六个菌株中，三个LAB分离株(表1)被进一步筛选其支持通过SRB群落进行的可溶性硫酸盐还原的能力，所述SRB群落获自印度加尔各答的东加尔各答湿地(表2)。使用标准的微生物学、生物化学和生物学的方法来详细表征显示SRB活性的最大支持的LAB菌株。菌株的图谱不与任何先前报道的菌株相匹配(表3)。[0078]A.LAB菌株的分离和乳酸的测定
[0079]对于LAB的菌株存在测试以下45种来源:牛奶、奶酪、果汁、南印酸豆汤(sambar)、酸辣酱(chutni)、甜乳酪、酸乳酪、乡村酒(country liquor)、黑绿豆面饼糊(idli batter)、南亚野鲮(Labeo rohita)(肠)、波拉长嘴鱲(Raiamas bola)(肠)、卡特拉舭(肠)、印度对虫下(Penaeus indicus)(肉)、益生菌(prowel)、益生菌(Laviest)、益生菌(Binifit)、包装奶(巴氏杀菌型)、糕饼(pastry)、酪乳、腌制芒果(mango pickle)、腌制辣椒(chilli pickle)、腌制填充物(pickle filler)、马铃薯(Solanum tuberosum)、番爺(Solanum lycopersicum)、苹果(Malus domestica)(果汁)、小果野蕉(Musa acuminata)(腐烂的)、葡萄(腐烂的)、芒果(Mangifera indica)(腐烂的)、爺(Solanum melongena)(腐烂的)、洋葱(Allium cepa)、尼罗口孵非鲫(Oreochromis niloticus)(肠)、印度囊鳃鲶(肠)、家猪(肉)、家猪(肠)、查拉普纳(Charapona)(肠)、彩虹钻石鲫(肠)、家鸡(肉)、家鸡(肠)、家山羊(肉)、家山羊(肠)、长草、草(芽)、苦瓜草(bitter gourdgrass)、咖喱叶和番爺叶。使各样品的一小部分与无菌的磷酸盐缓冲盐水(PBS)混合。叶子样品则以最大频率超声处理14分钟。所有样品被连续稀释至1:1χ10_8，使50 μ I的每种样品平铺在含有0.4%的CaCO3的LB琼脂板(1%胰蛋白胨、0.5%酵母提取物0.5%NaCl、l%琼脂)上。各板于37°C倒转培养整夜。通过清除集落周期区域中的培养基来鉴别乳酸菌。使用以下由Barker和Summerson(1941)改良的方案分离出十六个LAB菌株并分析乳酸的生成。
[0080]试剂:以下试剂用于测定细菌培养物上清液中的乳酸=CuSO4.5H20的20%的溶液；CuS04.5H20的4%的溶液；固体氢氧化钙，粉末；硫酸，浓，比重1.84 ;对羟基二苯基在
0.5%Na0H中的1.5%的溶液。
[0081]用铜和钙进行处理:使LAB分离株在补充有0.4%的CaCO3的液体LB培养基中生长整夜。将5.0ml无细胞的滤液加入到1.0ml的20%的硫酸铜溶液中，溶液用额外的4.0ml水来稀释。加入约1.0g的粉末状氢氧化钙，立即剧烈振荡混合物。使混合物于室温放置
0.5小时，偶尔振荡，然后以9000rpm离心分离10分钟。上清液用于如下所示的最终的显色。取出分析用等分试样，仔细避免包含表面膜中存在的任何固体材料。由表面膜之下取出等分试样，并将移液管外侧擦拭干净。
[0082]显色:将1.0ml来自铜-钙处理的上清液转移到宽的测试管中，并加入50 μ 14%的硫酸铜溶液。然后，加入6.0ml浓硫酸，加入酸的同时混合试管内的内容物。加入酸之后，将试管垂直放置在沸水浴中5分钟。然后将试管取出，放置在冷水中以使温度降至低于20°C。试管内的内容物充分冷却后，加入100 μ I对羟基联苯的碱性溶液。析出的试剂尽可能快速且均一的在整个溶液中分散，将试管放置在30°C的水浴中30分钟，并偶尔振荡。然后将试管放置在沸水浴中90秒，取出，在冷水中冷却直至达到室温为止。在沸水中的90秒加热溶解了过量的试剂，得到清澈溶液。测定590nm时的光密度(OD)，分别使用商用乳酸和乳酸锂制备的曲线来确定浓度。
[0083]结果:表1中示出了十六个LAB分离株的乳酸的生成。产率为总可滴定酸的
4.51%~29.84%。菌株10制得最高百分比的乳酸，随后是菌株2和12。基于其高水平的乳酸生成，测试菌株2、10和12的支持SRB群落还原可溶性硫酸盐的能力(以下，B部分)。
[0084]表1:三种挑选的LAB菌株的乳酸生成的效率
【权利要求】
1.一种系统，所述系统包括: a)第一室，所述第一室包括固定在第一基质上的乳酸菌(LAB)培养物；和 b)第二室，所述第二室包括固定在第二基质上的硫酸盐还原菌(SRB)培养物； 其中: 所述第一室与所述第二室流体连通； 所述第一室被构造为接收单独的或与环境污水组合的第一培养基，并将第一排放污水释放至所述第二室； 所述第二室被构造为接收单独的或与环境污水组合的所述第一排放污水，并释放第二排放污水； 所述环境污水包含硫酸盐；和 所述第二排放污水具有与所述环境污水相比降低的硫酸盐浓度。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一培养基包含适合于所述第一室的所述乳酸菌的生长和/或保持的营养物。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一排放污水包含比所述第一培养基或环境污水更高浓度的乳酸。
4.如权利要求1~3中任一项所述的系统，其中，所述第二室包含适合于所述硫酸盐还原菌的生长和/或保持的SRB培养基成分。
5.如权利要求1~4中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌不能在所述第二室中生长。
6.如权利要求1~5中任一项所述的系统，其中，所述第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于所述环境污水的硫酸盐浓度的90%。
7.如权利要求1~6中任一项所述的系统，其中，所述第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于所述环境污水的硫酸盐浓度的1%。
8.如权利要求1~7中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌包括由物种卡特拉紕、黄口鯢、南亚野鲮、波拉长嘴鱲、彩虹钻石鲫、尼罗罗非鱼、印度囊鳃鲶、家猪、家鸡或家山羊的肠道，或由发酵的食物、奶制品、柑橘和腐烂的水果、树叶或长草分离出的土著菌株。
9.如权利要求1~8中任一项所述的系统，其中，所述硫酸盐还原菌包括土著群落，包括以下属:古生球菌属、脱硫状菌属、脱硫细菌属、脱硫菌目、脱硫杆菌属、脱硫腊肠杆菌属、脱硫叶菌属、脱硫球菌属、脱硫微杆菌属、脱硫念珠菌属、脱硫线菌属、脱硫八叠球菌属、脱硫肠状菌属、脱硫弧菌属、脱硫弧菌目、互营杆菌目、热脱硫杆菌属或热脱硫弧菌属。
10.如权利要求1~9中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌或硫酸盐还原菌包含纯菌群。
11.如权利要求1~9中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌或硫酸盐还原菌包含混合菌群。
12.如权利要求1~11中任一项所述的系统，其中，所述第一基质和/或第二基质包括天然的、合成的或半合成的材料。
13.如权利要求1~12中任一项所述的系统，其中，所述第一基质和/或第二基质包括干草、稻草、稻壳、锯屑、麦麸、米糠、脉冲糠、木片、塑料片材、塑料O形环、金属网、纤维网、藻酸盐珠或合成石棉。
14.如权利要求1~13中任一项所述的系统，其中，所述第一室和/或所述第二室包括圆柱体。
15.如权利要求1~13中任一项所述的系统，其中，所述第一室和/或所述第二室包括立方体。
16.如权利要求1~15中任一项所述的系统，其中，所述第一室和/或所述第二室包括波纹板。
17.一种用于从环境污水除去硫酸盐的方法，所述方法包括: a)将第一培养基单独地或与包含硫酸盐的环境污水组合引入包括固定在第一基质上的乳酸菌(LAB)培养物的第一室，其中，所述乳酸菌代谢所述培养基和/或环境污水的成分，并生成乳酸，并且其中，所述第一室释放第一排放污水； b)将来自所述第一室的所述第一排放污水单独地或与环境污水组合引入包括固定在第二基质上的硫酸盐还原菌(SRB)培养物的第二室，其中，所述硫酸盐还原菌代谢所述第一排放污水中存在的乳酸并还原所述第一排放污水和/或环境污水中存在的硫酸盐，以生成第二排放污水；和 c)由所述第二室释放所述第二排放污水，其中，所述第二排放污水包含与所述环境污水相比降低的硫酸盐浓度。
18.如权利要求17所述的方法，其中，除所述第一排放污水之外，所述第二室还包含适合于所述硫酸盐还原菌生长和/或保持的SRB培养基成分。
19.如权利要求17或18所述的方法，其中，所述乳酸菌不能在所述第二室中保持的条件下生长。
20.如权利要求17、18或19所述的方法，其中，所述乳酸菌和所述硫酸盐还原菌是纯菌群。
21.如权利要求17、18或19所述的方法，其中，所述乳酸菌和所述硫酸盐还原菌是混合菌群。
22.一种用于对环境污水中的硫酸盐进行生物治理的系统，所述系统包括: a)第一室，所述第一室包括固定在第一基质上的乳酸菌(LAB)培养物；和 b)第二室，所述第二室包括固定在第二基质上的硫酸盐还原菌(SRB)培养物； 其中: 所述第一室与所述第二室流体连通； 所述第一室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的第一培养基，并将第一排放污水引入所述第二室； 所述第二室被构造为接收单独的或与包含硫酸盐的环境污水组合的所述第一排放污水，并释放第二排放污水；和 所述第二排放污水具有与所述环境污水相比降低的硫酸盐浓度。
23.如权利要求22所述的系统，其中，所述第一培养基包含适合于所述乳酸菌的生长和/或保持的营养物。
24.如权利要求22或23所述的系统，其中，所述第一排放污水包含比所述第一培养基或环境污水更高浓度的乳酸。
25.如权利要求22、24或25所述的系统，其中，所述第二室包含适合于所述硫酸盐还原菌的生长和/或保持的SRB培养基成分。
26.如权利要求22~25中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌不能在所述第二室中保持的条件下生长。
27.如权利要求22~26中任一项所述的系统，其中，所述第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于所述环境污水的硫酸盐浓度的 90%。
28.如权利要求22~27中任一项所述的系统，其中，所述第二排放污水具有的硫酸盐浓度小于所述环境污水的硫酸盐浓度的1%。
29.如权利要求22~28中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌包括由物种卡特拉紕、黄口鯢、南亚野鲮、波拉长嘴鱲、彩虹钻石鲫、尼罗罗非鱼、印度囊鳃鲶、家猪、家鸡或家山羊的肠道，或由发酵的食物、奶制品、柑橘和腐烂的水果、树叶或长草分离出的土著菌株。
30.如权利要求22~29中任一项所述的系统，其中，所述硫酸盐还原菌包括土著群落，包括以下属:古生球菌属、脱硫状菌属、脱硫细菌属、脱硫菌目、脱硫杆菌属、脱硫腊肠杆菌属、脱硫叶菌属、脱硫球菌属、脱硫微杆菌属、脱硫念珠菌属、脱硫线菌属、脱硫八叠球菌属、脱硫肠状菌属、脱硫弧菌属、脱硫弧菌目、互营杆菌目、热脱硫杆菌属或热脱硫弧菌属。
31.如权利要求22~30中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌或硫酸盐还原菌包含纯菌群。
32.如权利要求22~30中任一项所述的系统，其中，所述乳酸菌或硫酸盐还原菌包含混合菌群。
33.如权利要求22~32中任一项所述的系统，其中，所述第一基质和/或第二基质包括天然的、合成的或半合成的材料。
34.如权利要求22~33中任一项所述的系统，其中，所述第一基质和/或第二基质包括干草、稻草、稻壳、锯屑、麦麸、米糠、脉冲糠、木片、塑料片材、塑料O形环、金属网、纤维网、藻酸盐珠或合成石棉。
35.如权利要求22~34中任一项所述的系统，其中，所述第一室和/或所述第二室包括圆柱体。
36.如权利要求22~34中任一项所述的系统，其中，所述第一室和/或所述第二室包括立方体。
37.如权利要求22~36中任一项所述的系统，其中，所述第一室和/或所述第二室包括波纹板。
【文档编号】C02F3/34GK103562146SQ201180071375
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2011年7月28日 优先权日:2011年6月10日
【发明者】S·雷·乔杜里, A·R·塔库尔 申请人:孟加拉邦科技大学