一株具有高效絮凝能力的土生拉乌尔菌及其培养方法和应用

本发明涉及絮凝剂制备技术与微生物燃料电池领域，具体涉及一株具有高效絮凝能力的土生拉乌尔菌及其培养方法和应用。

背景技术：

1、絮凝是指在液体中将悬粒通过吸附、聚凝等变大形成絮体，加快沉降，进而达到固液分离的目的。与重力沉降、过滤、离心和浮选相比，絮凝具有投资少、效率高、操作简单、适用范围广等优势，具有巨大的应用和发展潜力。絮凝法在目前的应用市场中，是处理水体中的悬浮颗粒等污染物最经济、简便的办法之一，高效絮凝剂的应用开发也一直研究者关注的热点。

2、微生物絮凝剂作为一类新型絮凝剂，其广谱的絮凝活性，可生物降解性及高效无毒、无二次污染的优势显示了它在水处理、发酵工业与污水处理等方面的应用前景。微生物絮凝产品具有常规絮凝剂不具备的优势：来源广泛、价格便宜、速度快、发酵条件温和等，提高生产和工业的绿色化。目前絮凝剂产生菌普遍运用在重金属离子的沉降，河水淤泥的沉降处理和乳浊液的油水分离等领域，有望成为取代传统的离心或过滤方法的新手段。

3、微生物絮凝剂扩展了絮凝剂产品代新领域，在污水处理领域的应用相对广泛，可用于除浊、除油、去除金属离子、抑制污泥膨胀、促进污泥脱水等，同时对印染废水的色度去除效果明显，脱色率相对较高。在此基础上，微生物絮凝剂还可用于水产养殖业，既能净化培养池水质，又可吸收含氮废物为鱼虾提供食物来源，为水产业传统模式走向集约化做出技术支持。此外，微生物絮凝剂在微藻沉降中效果显著，现如今可再生能源革命时代，微藻等生物燃料被认为是传统化石燃料的潜在替代品之一，其含油量大、生长效率高、光合作用效果显著，并可直接在废水、盐碱水中培养。但是藻类培育、收获和下游加工过程的技术缺陷和低效阻碍了这种有价值的生物进一步的应用。因此新型高效、环保、低能耗的絮凝手段对于该问题有着很好的解决效果。

4、微生物絮凝剂的研究，最早是1935年美国学者butterfield从活性污泥中筛选到一株絮凝剂产生菌。就目前而言，所筛选出的微生物絮凝剂相关的菌株还不够多，相关归纳与共识性方面的内容欠缺，对微生物产生絮凝剂的规律、絮凝剂的絮凝规律、絮凝剂的结构、絮凝机理的系统总结仍待补充。因此，有必要进一步对微生物絮凝剂进行深入系统的基础研究，以丰富其内容。此外，具有絮凝特性微生物菌种的培养条件需要足够适宜，反之会造成菌种的退化，菌种保存受到威胁。因此，掌握微生物絮凝剂菌种的培养规律实现其大规模生产、降低培养成本、确定适宜的发酵成分配比也是目前微生物絮凝剂研究领域中亟待解决的问题。

5、絮凝原理主要包含桥连与电荷中和。前者是作为普适絮凝机理，指导与絮凝剂产生菌相关的大部分研究。同时，与电荷中和相关的细胞外电子转移机制也是多种微生物絮凝菌的新开发方向。微生物燃料电池作为一种利用产电菌将化学能转换为电能的装置，可以对具有胞外电子转移能力的微生物进行测试。絮凝与产电的关联在于微生物絮凝机制包括lps吸附悬浮物与菌体本身的电凝集作用。lps多糖长链特性为微生物吸附架桥的絮凝机理提供了合适的作用条件，而利用以crispr为代表的基因编辑技术对微生物的代谢通路进行改造，可增强菌体本身的电凝集作用。具体而言可改造相关激酶，例如提高呼吸链上辅酶q合成水平，进而提高递氢效率，促进三羧酸循环，从而提高微生物的产电效率和电凝集能力，优化微生物絮凝效果。目前对于产电菌的研究仍未足以转化为实际应用，因为电子受体的缺失导致氧化磷酸化过程无法完全进行。该类研究在絮凝与产电方面一举两得，在提高絮凝效率的基础上探究新的可能性，具有广阔的发展前景。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一株土生拉乌尔菌及其培养方法和应用，并利用了该土生拉乌尔菌的菌体自身絮凝特性，将其应用于具体絮凝问题中，同时利用絮凝机制提高絮凝效率，发掘更多应用可能性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面是提供一株土生拉乌尔菌(raoultella terrigena)，其16srdna序列如seq id no:1所示。

4、进一步地，上述土生拉乌尔菌为rtzg-1菌株，其保藏编号为cctcc m2022202，保藏日期为2022年3月4日，保藏单位为中国典型培养物保藏中心。

5、本发明的第二方面是提供上述土生拉乌尔菌的培养方法，采用ph值为7～9的无机盐培养基在35～38℃下以80～120rpm摇床培养12～36h，优选在37℃下以120rpm摇床培养16～24h；所述无机盐培养基包括k2hpo4、kh2po4、nacl、mgso4·7h2o、碳源和氮源。

6、进一步地，上述碳源选自葡萄糖、柠檬酸、乳糖、甘油、麦芽糖、蔗糖、甘露醇、果糖中的一种或几种；该培养基的碳源优选为葡萄糖。

7、进一步地，上述氮源选自氯化铵、胰蛋白胨、牛肉膏、硝酸钠、硫酸氢铵中的一种或几种；该培养基的氮源优选为氯化铵。

8、进一步地，上述培养基包括如下浓度的组分：5g/l k2hpo4，2g/l kh2po4，0.1g/lnacl，0.2g/l mgso4·7h2o，5～10g/l无水葡萄糖，1g/l氯化铵；该培养基的ph值优选为7.0±0.2。

9、本发明的第三方面是提供一种絮凝剂，其包括培养至稳定期的土生拉乌尔菌的菌悬液。

10、进一步地，培养条件为采用ph值为7～9的无机盐培养基在35～38℃下以80～120rpm摇床培养12-36h，优选在37℃下以120rpm摇床培养16～24h；所述无机盐培养基包括k2hpo4、kh2po4、nacl、mgso4·7h2o、碳源和氮源。

11、进一步地，上述碳源选自葡萄糖、柠檬酸、乳糖、甘油、麦芽糖、蔗糖、甘露醇、果糖中的一种或几种；该培养基的碳源优选为葡萄糖。

12、进一步地，上述氮源选自氯化铵、胰蛋白胨、牛肉膏、硝酸钠、硫酸氢铵中的一种或几种；该培养基的氮源优选为氯化铵。

13、进一步地，上述培养基包括如下浓度的组分：5g/l k2hpo4，2g/l kh2po4，0.1g/lnacl，0.2g/lmgso4·7h2o，10g/l无水葡萄糖，1g/l氯化铵；该培养基的ph值优选为7.0±0.2。

14、进一步地，上述絮凝剂还包括助凝剂，该助凝剂优选为cacl2。

15、本发明的第四方面是提供一种采用上述土生拉乌尔菌或絮凝剂的絮凝方法，将培养至稳定期的土生拉乌尔菌的菌悬液或上述絮凝剂投入待絮凝液体中，搅拌均匀，静置。

16、进一步地，上述静置的时间大于5min。

17、本发明的第五方面是提供一种采用上述土生拉乌尔菌搭建微生物燃料电池的方法，将培养至稳定期的土生拉乌尔菌的菌液与金属离子介体液混合后装入阳极池与装有富氧去离子水阴极池搭建电池。

18、进一步地，上述金属离子介体液包括nacl，mgcl2,cacl2，k2hpo3，kh2po3，na2hpo4·7h2o，feso4·7h2o，mnso4·h2o，nh4cl，kcl，cocl2·6h2o，caso4·2h2o，h3bo3，na2moo4，niso4和edta；该金属离子介体液的浓度优选为2×～10×，其中浓度为1×的金属离子介体液包括如下浓度的组分：8800mg/lnacl，330mg/l mgcl2，275mg/l cacl2，14mg/lk2hpo3，21mg/lkh2po3，56mg/lna2hpo4·7h2o，10mg/lfeso4·7h2o，5mg/l mnso4·h2o，3.1mg/lnh4cl，2mg/lkcl，1mg/l cocl2·6h2o，0.1mg/l caso4·2h2o，0.1mg/lh3bo3，0.25mg/lna2moo4，0.24mg/lniso4，1mg/l edta。

19、进一步地，上述金属离子介体液与菌液的混合比例为1:1。

20、进一步地，微生物燃料电池装置的温度为30～40℃，优选为37℃。

21、进一步地，培养条件为采用ph值为7～9的无机盐培养基在35～38℃下以80～120rpm摇床培养12～36h，优选在37℃下以120rpm摇床培养16～24h；所述无机盐培养基包括k2hpo4、kh2po4、nacl、mgso4·7h2o、碳源和氮源。

22、进一步地，在上述无机盐培养基中，碳源和氮源的添加质量比为(5～10):1，优选为5:1用于搭建工作时间小于约3h的微生物燃料电池。

23、进一步地，上述碳源选自葡萄糖、柠檬酸、乳糖、甘油、麦芽糖、蔗糖、甘露醇、果糖中的一种或几种；该培养基的碳源优选为葡萄糖。

24、进一步地，上述氮源选自氯化铵、胰蛋白胨、牛肉膏、硝酸钠、硫酸氢铵中的一种或几种；该培养基的氮源优选为氯化铵。

25、进一步地，上述培养基包括如下浓度的组分：5g/l k2hpo4，2g/l kh2po4，0.1g/lnacl，0.2g/l mgso4·7h2o，5g/l无水葡萄糖，1g/l氯化铵；该培养基的ph值优选为7.0±0.2。

26、本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

27、1.土生拉乌尔菌rtzg-1的菌体自身具有絮凝特性，相较于微生物产生菌所分泌发酵的絮凝剂，rtzg-1菌悬液絮凝率能达到93％；

28、2.土生拉乌尔菌rtzg-1较目前报道的大部分菌株本身具有絮凝特性的菌株絮凝效果更为显著，例志贺氏菌属(shigella sp.)絮凝率仅有57.68％；

29、3.土生拉乌尔菌的菌种至今未有报道证明具有絮凝特性，本发明具有高度的前瞻性与创新性；

30、4.土生拉乌尔菌rtzg-1菌株培养过程温和，成本低廉，同时未有数据证明其具有致病性，且菌株来源自水体，大量使用于污水处理中不会引入新物种；

31、5.土生拉乌尔菌rtzg-1菌株絮凝过程简易，效率高，5min即可达到85％的絮凝率，最高可达98％，且助凝剂来源广泛，成本低廉，应用范围广。

32、6.土生拉乌尔菌rtzg-1可用于富集具有高商业价值的藻类例如雨生红球藻，相比物理方法(过滤、离心等)、化学方法(聚丙烯酰胺、聚合氯化铝等)、生物方法(种植挺水植物)，该菌生长周期短，人力物力低廉，操作简单，作用效果明显。

33、7.土生拉乌尔菌rtzg-1经过初步测试具有产电性能，对利用该菌构造的微生物燃料电池进行进一步改造，或者参考菌种特性对其进行基因编辑进而功能优化，拓展其潜能，为絮凝效果的改造和微生物燃料电池的研究提供数据基础。

34、综上所述，本发明提供的土生拉乌尔菌rtzg-1，作为一种新型多功能高效絮凝菌，以低廉温和独特的发酵条件，简单发酵后即可发挥优异絮凝作用，同时具有无毒、环保的优势。利用其优越的絮凝特性可为多种环境问题例如污水处理、资源再利用等提供解决方法，或对代谢产物与工业化培养微藻等多种难沉降物质进行富集采收，从而节省巨大的社会成本。此外还可利用该特性进行拓展延伸，以此进一步探究絮凝机制与产电性质的关联性，若其真实存在并且可人为调控改造，则可利用相关手段提高絮凝效果，探寻产电可能性，解决更多能源问题。