一種具備高效吸附和高效轉化氮污染物功能的仿生底泥的制備方法
1.本發明涉及生物技術，特別涉及一種用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法。
背景技術：
2.當前，養殖戶實施高密度、高投入、高產出的養殖方式，使得大量未消納的飼料和魚蝦糞便進入到水產養殖水體中，成為水產養殖水體中有機污染物的主要來源。污染物質進入水體后經過被水體顆粒物的吸附、絮凝、沉淀以及生物吸收等多種方式最終沉積到底泥中并且逐漸積累，因此底泥被看作是水體中各種污染物質的最終儲存場所，在不斷的積累富集下，底泥中的有機物、氮、磷、重金屬等污染物的濃度往往比上覆水中要高出很多倍，嚴重威脅著水體的生態環境安全，成為世界范圍內的一個重要環境問題。
3.污水中過量的氮和磷是水體富營養化的主要原因，底泥對氮和磷的吸附和釋放被認為是解決水產養殖可持續發展所面臨的環境制約和資源利用問題的有效途徑。底泥向上覆水釋放氮、磷等元素是水質遭受污染的重要原因之一，因此底泥對氮、磷等污染物的轉化對水質起到重要作用。傳統化學法或物理化學法進行除磷脫氮，不僅運行費用高，也不適合污水處理量很大的城市。生物除磷脫氮技術由于處理成本低、管理方便、對環境副作用小等優點而得到廣泛應用，因此利用生物法脫氮研究底泥對氮污染物的轉化對水質凈化、保護生態環境具有諸多現實意義。
技術實現要素：
4.發明目的：本發明提供一種用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法。
5.技術方案：本發明所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，包括以下步驟：
6.1)制備仿生底泥載體，優選方法如下：
7.(1)70％石英砂(過80目篩，以確保砂粒粒徑小于0.2mm)，20％高嶺土(600-1000目)，10％泥炭蘚，泥炭蘚需在60℃烘干箱烘干6-10h，然后用粉碎機打碎備用；
8.(2)將(1)中所述材料充分攪拌，再按料液比2∶1比例添加去離子水，充分攪拌均勻后靜置1-2h后，去掉上層水，待用；
9.(3)碳、氮、磷源分別為葡萄糖、尿素、磷酸二氫鉀，按100∶5∶1比例加入仿生底泥載體中，充分攪拌均勻，使仿生底泥載體具備能夠提供微生物生長所需的必要條件。
10.2)獲取具備高效轉化氮污染物功能菌結構的活性污泥，優選方法如下：
11.(1)分別獲取江蘇如東小棚南美白對蝦優質養殖環境活性污泥、江蘇淮安污水處理廠活性污泥、江蘇淮陰工學院學校生態池塘活性污泥，共3種；
12.(2)利用柱狀取泥器分別采集，3種活性污泥利用柱狀取泥器分別采集水下不同位
置的表層15-20cm厚的的底泥；
13.(3)實驗室進行清除泥中石塊、樹枝等雜質，將同一種類不同位置的底泥充分攪拌均勻，靜置1-2h，去掉上層水，裝入密封袋，低溫-20℃保存待用。
14.3)制備及改性氮吸附材料沸石粉，優選方法如下：
15.(1)對市場上現有多種沸石粉進行調研判斷，進行實驗室驗證；
16.(2)多種沸石粉對氮污染物的吸附能力，選取最優；
17.(3)對吸附氮污染物能力最優的沸石粉進行改性處理，分別進行鹽改性、酸改性、堿改性、熱改性等方式對沸石粉進行改性處理，獲取沸石粉對氮污染物吸附能力最佳的改性條件。
18.4)仿生底泥模型構建，優選方法如下：
19.(1)將制備完成的仿生底泥載體分別與3種不同的活性污泥按照(1-2)∶1比例均勻混合，從而獲得3種不同的仿生底泥模型；
20.(2)進一步在3種不同的仿生底泥模型分別加入相應的碳、氮、磷源，使其具有能夠為微生物提供生存和生長的環境條件。
21.5)構建及培養馴化“仿生底泥-水”兩相系統，優選方法如下：
22.(1)按20-40％仿生底泥，虹吸法加入60-80％去離子水組合置于燒杯中，ph：6.5-7.5，構建“仿生底泥-水”兩相系統；
23.(2)將燒杯用雙層保鮮膜密封，然后靜置1-2h；
24.(3)將密封的燒杯置于生化培養箱內培養，培養條件：避光、厭氧、25-32℃；
25.(4)每3天進行一次虹吸法換水，換水量為40-70％，并添加碳、氮、磷源；
26.(5)每3天進行一次取仿生底泥泥樣10-30g，進行稀釋涂布平板法，測定仿生底泥中菌生物量。
27.6)篩選獲取氮污染物轉化能力高的仿生底泥模型，優選方法如下：
28.(1)對培養馴化后的仿生底泥進行三態氮(氨氮、硝態氮、亞硝態氮)模擬污水驗證仿生底泥模型對氮污染物轉化的能力；
29.(2)獲取具備氮污染物轉化能力最高的仿生底泥模型；
30.(3)對氮污染物轉化能力最高的仿生底泥模型進行misseq亞基因組測序和生物信息學分析，活性污泥中的微生物落結構分析研究不同菌種的相對分布。
31.7)在仿生底泥模型中添加氮吸附材料，優選方法如下：
32.(1)對沸石粉進行打碎過篩，添加沸石粉于氮污染物轉化能力最高的仿生底泥模型中，驗證其對氮污染物吸附能力；
33.(2)對吸附氮污染物能力最優的沸石粉進行改性處理，分別進行鹽改性、酸改性、堿改性、熱改性等方式對沸石粉進行改性處理，獲取沸石粉對氮污染物吸附能力最佳的改性條件。
34.(3)改性后沸石粉按照不同劑量加入仿生底泥模型中，確定最佳劑量；
35.(4)上述驗證方法選用三態氮模擬污水，驗證添加氮吸附材料后的仿生底泥的氮吸附能力。
36.本發明通過制備構建高效轉化氮污染物功能的生態友好型仿生底泥，能夠有效控制底泥向上覆水中氮污染物的釋放，以及降低水體中氨氮和亞硝酸鹽等有害物質。通過參
考經濟合作與發展組織(oecd)化學品測試準則中所提供的方法，制備仿生底泥載體，通過對仿生底泥載體進行優化、改性。從優良的水產養殖環境、自然生態池塘、污水處理廠中獲得具備高效轉化氮污染物功能菌結構優良活性污泥。仿生底泥載體與優良活性污泥有機結合，再復配上氮吸附材料沸石粉，使仿生底泥模型具有高效氮污染物吸附、及轉化的水質凈化功能。
37.本發明創新點在于將人工底泥載體與篩選獲得優良活性污泥進行組合，進一步有機復配氮吸附材料，建立高效轉化氮污染物的仿生底泥技術，使仿生底泥模型菌結構豐富，且具備高效吸附和轉化氮污染物的功能。傳統的水產養殖底泥結構單一，隨著餌料殘渣和糞便等有機物的積累，超過傳統底泥對有機物的轉化能力，會向水體中釋放大量的氮污染物，導致水體污染，妨害養殖動物健康生長。本發明所述仿生底泥模型制，多孔結構材料為載體，吸附能力強，馴化選育功能菌，氮轉化效率高，因此是具有高效吸附和高效轉化氮污染物功能的仿生底泥模型。該技術未來可用于高密度水產養殖和水處理等領域，具有較廣的應用前景。
38.有益效果：本發明與現有技術相比，具有如下優勢：本發明的生態友好型仿生底泥的制備方法是基于從有優良水產養殖環境、自然生態池塘、污水處理廠篩選獲得的活性污泥，對其進行菌分析，篩選獲得具備高效氮污染物轉化功能菌結構的活性污泥。將“人工底泥”和“活性污泥”有機復配，形成“仿生底泥模型”。將該模型與水體結合建立“仿生底泥-水”兩相系統，添加氮污染物吸附材料，進行實驗室驗證，研究其對水質的凈化功能，未來可用于水產養殖、水質凈化處理等領域，具有較廣的應用前景。
附圖說明
39.圖1是本發明工藝的技術路線圖；
40.圖2是仿生底泥在24h內對水體中氨氮的去除能力示意圖；
41.圖3是仿生底泥在24h內對水體中硝態氮的去除能力示意圖；
42.圖4是仿生底泥在24h內對水體中亞硝態氮的去除能力示意圖。
具體實施方式
43.實施例1：
44.江蘇如東小棚南美白對蝦養殖環境活性污泥、江蘇淮安污水處理廠活性污泥、江蘇淮陰工學院學校池塘活性污泥，與仿生底泥載體復配構建仿生底泥模型。
45.(1)1000ml仿生底泥載體與1000ml活性污泥以及相應的碳、氮、磷源充分攪拌均勻，靜止1-2h；
46.(2)去掉上層水，分裝至5個2000ml燒杯，每個燒杯置于400ml仿生底泥模型，用虹吸法加入去離子水1600ml，用雙層保鮮膜密封燒杯杯口。
47.實施例2：仿生底泥模型培養馴化。
48.(1)將密封完成的裝有仿生底泥模型的燒杯置于生化培養箱，光照條件；避光，ph；6.5-7.5，厭氧條件，溫度25-32℃，培養馴化周期30d。
49.(2)即仿生底泥模型置入培養箱起，每3天進行一次虹吸法換水，換水量約60％。按100∶5∶1比例添加葡萄糖、尿素、磷酸二氫鉀。
50.實施例3：仿生底泥模型生物量檢測
51.(1)每3天進行一次仿生底泥模型取樣，每個燒杯取樣量10-30g，將每類仿生底泥模型所取得所有的樣品進行混勻，對樣品進行稀釋涂布平板法梯度檢測仿生底泥模型中生物量的變化。
52.(2)仿生底泥樣品培養基：牛肉膏3g，氯化鈉5g，蛋白胨10g，瓊脂20g，去離子水1000ml，ph：7.0-7.4。
53.(3)取混勻后的樣品10g，進行加去離子水梯度稀釋，取10-3
、10-4
、10-5
、10-6
四個濃度，每個濃度做三個平行，進行平板涂布，共做兩組，一組為好氧組，一組為厭氧組，置于37℃培養箱培養12-24h。
54.(4)每三天檢測一次生物量情況，共計10次，根據生物量的生長曲線觀察仿生底泥模型中生物量的生長情況，目的在于活性污泥中微生物能夠附著生長在仿生底泥載體中，使仿生底泥模型具有豐富的菌結構。
55.實施例4：仿生底泥模型去除三態氮能力驗證
56.(1)仿生底泥培養馴化完成后，進行洗泥操作，目的在于去除“仿生底泥——水”兩相系統中現存氮污染物。用虹吸法將水體排除，再加入等量去離子水，進行充分攪拌，使仿生底泥載體與水體完全混合，然后靜置3-5h，待底泥與水體完全分離，上覆水澄清，用虹吸法將水體移除。重復上述三遍洗泥步驟，洗泥完成。
57.(2)用氯化銨、硝酸鉀、亞硝酸鈉模擬配制氨氮、硝態氮、亞硝態氮污水，每1000ml去離子水中加入0.2mg亞硝酸鈉，4mg硝酸鉀，80mg氯化銨。
58.(3)將三態氮模擬污水用虹吸法加入到洗凈后的仿生底泥模型燒杯中，模擬水產養殖環境，燒杯杯口不密封，進行28-30℃，自然光環境條件。
59.(4)采用納氏試劑分光光度法，測定氨氮含量；α—萘胺分光光度法，測定亞硝態氮含量；紫外分光光度法，測定硝態氮含量。
60.(5)分別檢測2h、4h、6h、8h、10h、12h、24h時間段，觀察仿生底泥模型去除三態氮的綜合能力。
61.(6)從3種仿生底泥模型中選取去除三態氮的綜合能力最強的仿生底泥模型，進行misseq亞基因組測序和生物信息學分析，分析仿生底泥模型中的微生物落結構分析研究不同菌種的相對分布。
62.實施例5：強化型仿生底泥模型制備
63.(1)在去除三態氮的綜合能力最強的仿生底泥模型中添加氮吸附材料-沸石粉，繼續檢測其對三態氮的去除能力。
64.(2)對氮吸附材料-沸石粉別進行鹽改性、酸改性、堿改性、熱改性等方式對沸石粉進行改性處理，獲取沸石粉對氮污染物吸附能力最佳的改性條件。
65.(3)添加不同劑量改性后的沸石粉于仿生底泥模型中，確定去除三態氮能力的最佳劑量。
66.(4)從而構建具備菌結構豐富且具有高效吸附、抑制、轉化氮污染物功能的仿生底泥模型，建立仿生底泥技術。
67.持續對上述實施例實驗，實驗驗證了24h內仿生底泥模型對氨氮、硝態氮、亞硝態氮的吸附、轉化能力影響效果。圖2表示三種仿生底泥模型對氨氮去除能力的實驗驗證效
果，在無仿生底泥模型的對照組中，對氨氮的吸附、轉化能力在6h最高，為71％。生態池塘仿生底泥模型c在4h時最高，達到87％。南美白對蝦仿生底泥模型x在4h時去除率達到85％，隨著時間推移，在24h時達到90％，對比對照組，對氨氮的吸附、轉化能力提高了19％。綜合比較對照組與三種仿生底泥模型，南美白對蝦仿生底泥模型x對氨氮的吸附、轉化能力具有較明顯的效果(圖2)。
68.圖3表示三種仿生底泥模型對硝態氮去除能力的實驗驗證效果，在無仿生底泥模型的對照組中，對硝態氮的吸附、轉化能力在4h最高，為62％。生態池塘仿生底泥模型c與南美白對蝦仿生底泥模型x在24h內的硝態氮含量隨時間推移逐漸減低，在24h時全部去除，去除率達到100％，對比對照組去除率提高了38％。綜合比較對照組與三種仿生底泥模型，南美白對蝦仿生底泥模型x與生態池塘仿生底泥模型c對硝態氮的吸附、轉化能力具有明顯的效果(圖3)。
69.圖4表示三種仿生底泥模型對亞硝態氮去除能力的實驗驗證效果，在無仿生底泥模型的對照組中，對亞硝態氮幾乎不具有吸附、轉化能力，在24h亞硝態氮含量反而增加了85％。生態池塘仿生底泥模型c與南美白對蝦仿生底泥模型x在8h時候亞硝態氮達到峰值，但此時仿生底泥模型x中亞硝態氮含量明顯低于仿生底泥模型c，但隨著實驗時間的退推移，兩種仿生底泥模型在24h時都能將亞硝態氮完全去除，去除率達100％，比對照組去除率提高了185％。綜合比較對照組與三種仿生底泥模型，南美白對蝦仿生底泥模型x與生態池塘仿生底泥模型c對亞硝態氮的吸附、轉化能力具有顯著的效果(圖4)。
70.在本發明人工構建仿生底泥模型中，綜合分析三種仿生底泥模型對去除三態氮的吸附、轉化的綜合能力，南美白對蝦仿生底泥模型x對氨氮、硝態氮、亞硝態氮的綜合吸附、轉化能力效果最顯著。可以對氮污染物進行高效轉化，極大地改善養殖水質。仿生底泥模型技術未來可用于高密度水產養殖和水處理等領域，具有較廣的應用前景。
技術特征：
1.一種用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)制備仿生底泥載體、獲取具備高效氮轉化功能菌結構的活性污泥、制備及改性氮吸附材料沸石粉；2)將仿生底泥載體與具備高效氮轉化功能菌結構的活性污泥按比例復配，攪拌均勻，構建仿生底泥模型；3)將碳、氮和磷源，按比例添加于仿生底泥模型中；4)將仿生底泥模型與去離子水組合構建仿生底泥-水兩相系統；5)對仿生底泥-水兩相系統進行培養馴化；6)通過仿生底泥-水兩相系統，篩選獲取氮污染物轉化能力高的仿生底泥模型；7)在馴化后的仿生底泥模型中添加氮吸附材料，檢測對三態氮的去除能力。2.根據權利要求1所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，步驟1)中，制備仿生底泥載體的方法如下：1)人工底泥由70％石英砂、20％高嶺土和10％泥炭蘚，混合，攪拌；2)攪拌后的復合料與去離子水按2∶1比例均勻混合并攪拌。3.根據權利要求1所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，步驟1)中，所述獲取具備高效氮轉化功能菌結構的活性污泥的方法如下：1)分別采集3種活性污泥；2)分別采集3種活性污泥水下不同位置的表層15-20cm厚的底泥，清除泥中雜質，靜置1-2h，去掉上層水，裝入密封袋，于-20℃保存待用。4.根據權利要求1所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，步驟1)中，所述制備及改性氮吸附材料沸石粉的方法如下：1)選取最優吸附能力的沸石粉；2)對吸附氮污染物能力最優的沸石粉進行改性處理，分別進行鹽改性、酸改性、堿改性、熱改性，獲取沸石粉對氮污染物吸附能力最佳的改性條件。5.根據權利要求1所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，步驟3)中，所述碳、氮、磷源分別為：葡萄糖、尿素、磷酸二氫鉀。6.根據權利要求1所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，步驟4)中，構建仿生底泥-水兩相系統方法如下：1)按20-40％仿生底泥模型，虹吸法加入60-80％去離子水組合置于燒杯中，ph：6.5-7.5，構建仿生底泥-水兩相系統；2)將密封，靜止。7.根據權利要求1或6所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，步驟5)中，對仿生底泥-水兩相系統進行培養馴化方法如下：1)密封后置于生化培養箱內培養，培養條件：避光、厭氧、25-32℃；2)每3天一次虹吸法換水，換水量為40-70％，并添加碳、氮、磷源；3)每3天一次取樣10-30g，稀釋涂布平板法測定仿生底泥中菌生物量。8.根據權利要求1或7所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底
泥制備方法，其特征在于，步驟6)中，篩選獲取氮污染物轉化能力高的仿生底泥模型具體方法如下：1)對培養馴化后的仿生底泥進行三態氮模擬污水去除能力驗證，三態氮包括氨氮、硝態氮、亞硝態氮；2)獲取具備氮污染物轉化能力最高的仿生底泥模型；3)對氮污染物轉化能力最高的仿生底泥模型進行misseq亞基因組測序和生物信息學分析，分析仿生底泥模型中的微生物落結構分析研究不同菌種的相對分布。9.根據權利要求1或8所述的用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，其特征在于，步驟7)中，添加氮吸附材料方法如下：1)沸石粉打碎過篩，添加于氮污染物轉化能力最高的仿生底泥模型中，驗證其對但污染物吸附能力；2)對沸石粉進行鹽改性、酸改性、堿改性或熱改性，確定最佳改性條件；3)改性后沸石粉按照不同劑量加入仿生底泥模型中，確定最佳劑量。
技術總結
本發明公開一種用于水體中氮污染物吸附和高效轉化生態友好型仿生底泥制備方法，制備仿生底泥載體、獲取具備高效氮轉化功能菌結構的活性污泥、制備及改性氮吸附材料沸石粉；仿生底泥載體與具備高效氮轉化功能菌結構的活性污泥按比例復配，構建仿生底泥模型；將碳、氮和磷源，按比例添加于仿生底泥模型中；將仿生底泥模型與去離子水組合構建仿生底泥-水兩相系統；系統馴化；篩選獲取氮污染物轉化能力高的仿生底泥模型；馴化后的仿生底泥模型中添加氮吸附材料，檢測對三態氮的去除能力。上述仿生底泥可利用仿生底泥本身的多孔吸附結構特征，吸附氮污染物；馴化培養得到的豐富氮轉化菌，高效轉化氮污染物，改善養殖水質。改善養殖水質。改善養殖水質。
