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摘 要

脱氮硫杆菌是专性无机化能自养型细菌，其独特的脱硫脱氮特性使其在工业和环境优化方面有着巨大作用，能给社会带来可观的经济效益和环境效益，尽管近年来对脱氮硫杆菌的应用研究很多，但是目前在对脱氮硫杆菌的培养方面还存在一些问题。本文首先介绍了脱氮硫杆菌的相关特性、作用机理，以及在工业和环境方面的应用，并指出了脱氮硫杆菌在发酵培养方面存在的问题，然后测定了脱氮硫杆菌的生长曲线并通过单因素实验与Plackett-Burman设计实验优化了脱氮硫杆菌的发酵条件，最终确定优化后的发酵条件是培养温度39 ℃、初始pH为8、摇瓶转速200 r/min和接种量3%（V/V）。在优化发酵条件后，脱氮硫杆菌对硫代硫酸钠的消耗量相较于初始发酵条件提高了17.24%。

关键词：脱氮硫杆菌 发酵 单因素实验 Plackett-Burman

Optimization of fermentation conditions of Thiobacillus denitrificans

Abstract

Thiobacillus denitrificans is a special type of inorganic autotrophic bacteria, its unique desulfurization and denitrification characteristics make it a great role in industrial and environment, can bring considerable economic and environmental benefits to society. Although there have been many studies on the application of Thiobacillus denitrificans in recent years, there are still some problems in the culture and fermentation of Thiobacillus denitrificans. This paper first introduced the characteristics and mechanism of Thiobacillus denitrificans and application in industry and environment, pointed out the problems in the fermentation and culture of Thiobacillus denitrificans, determined the growth curve of Thiobacillus denitrificans and then optimized the fermentation conditions of Thiobacillus denitrificans by single factor experiments and Plackett-Burman design experiments. The optimized fermentation conditions were finally determined as follows: culture temperature 39 °C, initial pH 8, spinner speed 200 r/min, and inoculation volume 3% (V/V). After optimization of fermentation conditions, the consumption of sodium thiosulfate by Thiobacillus denitrificans increased by 17.24% compared to the initial fermentation conditions.

Keywords: Thiobacillus denitrificans; fermentation; singer factor experiments; Plackett-Burrman

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 文献综述 1

1.1 脱氮硫杆菌的生态特性 1

1.2 脱氮硫杆菌的作用机理 1

1.3 脱氮硫杆菌的应用 2

1.3.1 防腐应用 2

1.3.2 水处理应用 3

1.3.3 天然气脱硫应用 4

1.3.4 防辐射应用 4

1.3.5 恶臭处理 5

1.4 发酵条件对脱氮硫杆菌生长的影响 6

1.4.1 培养温度对脱氮硫杆菌生长的影响 6

1.4.2 初始pH对脱氮硫杆菌生长的影响 6

1.4.3 摇瓶转速对脱氮硫杆菌生长的影响 6

1.4.4 接种量对脱氮硫杆菌生长的影响 7

1.5 本课题研究的目的及意义 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验材料 8

2.1.1 菌种来源 8

2.1.2 主要试剂 8

2.1.3 主要设备 8

2.1.4 初始培养基的配置 9

2.2 实验方法 9

2.2.1 菌种活化 9

2.2.2 生长曲线的测定 9

2.2.3 初始发酵培养 9

2.2.4 碘量法检测菌种生长情况 10

2.2.5 单因素实验筛选发酵条件 10

2.2.6 PB(Plcakett-Burman)设计实验 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 生长曲线测定结果 12

3.2 单因素实验筛选发酵条件 13

3.2.1 以培养温度为变量的单因素实验 13

3.2.2 以初始pH为变量的单因素实验 13

3.2.3 以摇瓶转速为变量的单因素实验 14

3.2.4 以接种量为变量的单因素实验 14

3.3 PB设计实验筛选及结果 15

3.4 发酵条件优化前后的实验结果对比 17

3.4.1 初始发酵条件 17

3.4.2 优化后的发酵条件 17

3.4.3对比情况 17

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致谢 22

第一章 文献综述

1.1 脱氮硫杆菌的生态特性

脱氮硫杆菌是有着兼性厌氧和自养特点的细菌，仅可以使用无机碳源（如碳酸根离子和碳酸氢根离子）进行生长代谢^[1]。Beijerinck于1904年开展相关实验发现脱氮硫杆菌，之后与Baalsrud共同分析了其生理等方面的特点^[2]。处于厌氧的环境下，脱氮硫杆菌主要分布在淡水、工厂废水处理槽、海洋沉淀物和土壤中^[2]。脱氮硫杆菌一般是以单个和短链状的形式进行排列^[2]。在显微镜观察的微小世界里，其单细菌呈现出短杆状，单个菌体大小一般是(0.3-0.5) μm×(1.0-3.0) μm，观察其内部有着褶皱的分布结构，其中还包含单个极生鞭毛，脱氮硫杆菌有着非常活跃的特点^[3]。脱氮硫杆菌有着广泛的分布，能够在温度是10 ℃到37 ℃之间，pH值在4.0到9.5 的环境下存活和生长,其最佳生长温度是28～30 ℃，最佳pH是6.5～7.5^[4]。脱氮硫杆菌不能很好的在高盐度条件下生存，若硫酸根离子浓度大于250 mmol·L^-1，总离子浓度的增大将会使得其生长速度明显减慢^[4]。脱氮硫杆菌能够使用硝酸盐、亚硝酸盐以及其他多种氮源^[4]。当脱氮硫杆菌处于好氧的环境条件下时，其和普通的硫杆菌大致相同，可以与元素硫和硫酸盐进行反应以此生成硫酸^[5]。当其处于厌氧的环境条件下时，将硝酸盐作为电子受体，把硝态氮进行氧化还原反应以此生成游离氮，这一菌体还可以与硫化物等物质之间发生氧化反应，然而，其中与硫元素进行的反应速度通常较慢^[2]。

1.2 脱氮硫杆菌的作用机理

脱氮硫杆菌具有特殊的脱硫以及脱氮的特性。以硫化氢为例，脱氮硫杆菌氧化硫化氢可以根据电子受体的不同分为两种途径：以氧（O₂）作为电子受体的好氧氧化和以硝酸盐（NO^3-）作为电子受体的厌氧氧化^[2,5]。

1. 硫杆菌对硫化物有着非常大的亲和性，在好氧的环境条件下，脱氮硫杆菌可以与氧进行反应以此生成硫化合物，以此获得能量，氧化过程经由多个步骤完成，反应方程式如下^[6]：

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