一种电磁耦合发酵淡紫链霉菌海南变种微生物生物电池
阅读说明：本技术 一种电磁耦合发酵淡紫链霉菌海南变种微生物生物电池 (Electromagnetic coupling fermentation streptomyces lavendulae Hainan variant microorganism biological battery ) 是由 潘忠成 沈伟杰 赵珺涵 翁婧 陈豪 师维 李蒲民 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电磁耦合发酵淡紫链霉菌海南变种微生物生物电池,所述微生物生物电池包括阳极碳棒,阴极碳棒,摇瓶培养基,定值电阻,可变电阻,质子交换膜,废水配置液,外加电场,工作站,pH传感器,溶解氧传感器,搅拌器,充氧装置,外加磁场,阳极碳棒接种淡紫链霉菌海南变种。本发明采用电磁耦合环境下可以提高淡紫链霉菌的生产效价的同时还能降解生物农药在发酵生产过程的废水。(The invention relates to an electromagnetic coupling fermentation Streptomyces lavendulae Hainan variant microbial cell which comprises an anode carbon rod, a cathode carbon rod, a shake flask culture medium, a fixed value resistor, a variable resistor, a proton exchange membrane, a wastewater preparation liquid, an external electric field, a workstation, a pH sensor, a dissolved oxygen sensor, a stirrer, an oxygenating device and an external magnetic field, wherein the anode carbon rod is inoculated with the Streptomyces lavendulae Hainan variant. The invention can improve the production titer of the streptomyces lavendulae and degrade the wastewater of the biological pesticide in the fermentation production process under the electromagnetic coupling environment.)
技术领域
本发明属于微生物制药领域，具体涉及一种电磁耦合发酵淡紫链霉菌海南变种微生物生物电池及应用。
背景技术
中生菌素（Zhongshengmycin）属于N-糖苷类农用抗生素，含有6个有效组分，各组分之间依次递增一个β-赖氨酸，对细菌、酵母菌和丝状真菌性病害有活性，中生菌素通过加工配制形成的生物杀菌剂是一种环境资源保护型生物杀菌处理药物，该药物对各种革兰氏杆状阳性菌、革兰氏杆状阴性菌、丝状阴性真菌具有良好的抑制或有效灭活作用，中生菌素在农业中的应用十分广泛，主要防治水稻细条病、条斑病、白叶枯病、大白菜的黑腐病、软革病、青椒红枯病，黄瓜的淡紫色溃疡病姜瘟病、角斑病，桃树、杏树、李子树的穿孔病，菜豆细菌性流感疫病等；对真菌防治主要包括苹果树轮纹病、斑点落叶病、麦类的赤霉病、瓜类枯萎病、桃树、杏树、李子树的痈疽疮、柑橘树的溃疡痈疽疮、脓瘢痕痈疽疮、黄芦笋的茎枯痈疽疮等，中生菌素对人畜低毒，对环境不造成污染，是一种理想的抗细菌兼抗真菌的生物农药。
与其他利用有机生产能力的新型现有技术相比,微生物生物电池（MFC）更加具有简便易于操作的特点和功能优势：首先，它们把原来的基质直接变成了电力，确保了高能量的转换；第二，与所有目前现有的生物能源处理方法不同，微生物燃料太阳能电池可以有效地在环境中运行；第三，微生物电池并没有必须经过废气的处理，因为电池中产生的废气主要排放成分是二氧化碳，通常这些都没有一种可重复利用的能源；第四，微生物燃料电池并非一定要向空气中输入很多的能量，因为一个单室的微生物电池只是一个单独的空气需要通风，可以被动地向空气中补充阳极的气体；第五,在一些国家还比较贫困的地方，由于目前还比较贫穷，我国政府没有足够的资金支持发展微生物燃料太阳能电池，这些发展中的燃料更加多样化。尽管微生物生物电池有以上优点，但存在微生物生物电池的阳极微生物利用及生物价值挖掘不足，阳极微生物在以往的生物电池仅仅是通过新陈代谢所产多余电子经阳极室阳极区经外联导线把多余电子输送到阴极室，与阴极室的氧气和废水底物作用分解废水有机物，尽管兼具降解阴极废水和产电两大功能，但阳极室微生物发酵产生代谢产物往往被忽略，甚至阳极室微生物发酵产物当三废处理，大大影响微生物生物电池的阳极微生物生物价值利用，造成巨大资源的浪费，本发明充分挖掘微生物生物电池的阳极微生物潜在利用价值，这为以后研究微生物生物电池提供更有益的实验证据和参考价值。
发明内容
为了解决现有技术中淡紫灰链霉菌海南变种（Streptomyces lavendulae var. hainanensis new var.）菌苔薄、传代后菌苔质量下降、中生菌素含量较低的问题，本发明提供一种电磁耦合发酵淡紫链霉菌海南变种微生物生物电池，其解决了现有菌株中生菌素含量较低的技术问题。本发明的出发菌株为淡紫灰链霉菌海南变种(Streptomyces lavendulae var. hainanensis new var.)。
更为具体的，本发明涉及一种电磁耦合发酵淡紫链霉菌海南变种微生物生物电池，其特征在于，所述微生物生物电池包括阳极碳棒，阴极碳棒，摇瓶培养基，定值电阻，可变电阻，质子交换膜，废水配置液，外加电场，工作站， pH传感器，溶解氧传感器，搅拌器，充氧装置，外加磁场，其中阳极碳棒、pH传感器、溶解氧传感器和搅拌器位于摇瓶培养基中，阴极碳棒位于废水配置液中，阳极碳棒和阴极碳棒通过定值电阻与可变电阻电连接，质子交换膜位于摇瓶培养基与废水配置液之间，摇瓶培养基与废水配置液位于外加电场之间，摇瓶培养基与废水配置液位于外加磁场之间，充氧装置与摇瓶培养基相连，阳极碳棒接种淡紫链霉菌海南变种。
在本发明的一个优选实施方式中，所述微生物生物电池还包括用于调节摇瓶培养基的酸和/或碱添加瓶，以及用于对摇瓶培养基自动补料的容器。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于，所述外加磁场和外加电场都是可调的。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于，所述外加磁场的磁感应强度可调节范围为0.1-0.6T，优选为0.15-0.25T。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于，所述外加电场通过直流电源进行调节，其电流强度可调范围为0-100mA。
本发明另一方面还涉及一种同时生产中生菌素和处理废水的方法，其特征在于采用上述微生物生物电池，其中，在摇瓶培养基中获取中生菌素，在废水配置液中处理废水。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于，所述废水配置液为生物发酵生产春雷霉素的废水，该废水最初COD浓度为600-700mg/mL,最初氨氮浓度200-300mg/mL。优选地，经过处理之后的废水配置液COD降低率超过95%，优选超过98%，氨氮降低率超过90%，优选超过94%。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于，摇瓶培养基的配方为：可溶性淀粉（AR）1.0%、MgSO4·7H2O（AR）0.045%、KH2PO4（AR）0.10%、KCl（AR）0.045%、NaNO3（AR）0.125%、FeSO4·7H2O（AR）0.001%，其余是蒸馏水，pH6.8-7.0。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于，所述摇瓶培养基的搅拌转速为120-160rmp，培养温度为28-30℃，每分钟通气量为1:1-2(V/V)消毒空气；自动换料量为每天阳极室的液体体积的1/5-1/3。
在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于，所述直流电为30-50mA，磁场为0.15-0.25T。
更进一步地，接种淡紫链霉菌海南变种诱变菌株培养液为权利6中培养基的5-15%（V/V），优选10%；阳极室搅拌转速为120-160rmp，优选150rmp，培养温度为28-30℃，每分钟通气量为1:2-1:4(V/V)消毒空气，优选1:1；自动换料量为每天阳极室的液体体积的1/10-1/3，优选1/5；培养时间为72-128h，优选84h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：一方面因为在此类电磁耦合环境下可以提高淡紫链霉菌的生产效价，另一方面是利用其构建出来的 MFC 降解生物农药在发酵生产过程的废水，与以前生物电池构建效果有显著出别，该装置充分挖掘MFC的阳极微生物经济效益，而且还能同时处理该MFC阴极区的废水。
附图说明
下面结合附图进行进一步的说明：
图1. 电磁耦合发酵淡紫链霉菌海南变种微生物生物电池结构示意图，其中，1-阳极碳棒，2-阴极碳棒，3-摇瓶培养基，4-定制电阻，5-可变电阻，6-质子交换膜，7-废水人工配置液，8-外加电场，9-工作站，10-pH传感器11-溶解氧传感器，12-搅拌器，13-HCl(0.1mol/L)微量添加瓶，14-NaOH(0.1mol/L)微量添加瓶，15-自动补料瓶，16-充氧装置，17-外加磁场；
图2. 未加电场与磁场发酵淡紫链霉菌海南变种的中生菌素与线粒体酶变化情况；
图3. 外加20mA的淡紫链霉菌海南变种的中生菌素与线粒体酶变化情况；
图4. 外加40mA的发酵淡紫链霉菌海南变种的中生菌素与线粒体酶变化情况；
图5. 外加80mA的发酵淡紫链霉菌海南变种的中生菌素与线粒体酶变化情况；
图6. 外加40mA和0.1T磁场下的发酵淡紫链霉菌海南变种的中生菌素与线粒体酶变化情况；
图7. 外加40mA和0.2T磁场下的发酵淡紫链霉菌海南变种的中生菌素与线粒体酶变化情况；
图8. 外加40mA和0.4T磁场下的发酵淡紫链霉菌海南变种的中生菌素与线粒体酶变化情况。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
实施例1： 在MFC阳极区接种淡紫链霉菌，其阳极接种液为葡萄糖（AR）1.5%、冷榨黄豆饼粉（IR）2.0%、玉米粉（FR）0.15%、玉米淀粉（FR）1.5%、NH4Cl（AR）0.45%、NaCl（AR）0.35%、MgSO4·7H2O（AR）0.03%、KH2PO4（AR）0.03%、轻质CaCO3（AR）0.04%、自来水配制，所述摇瓶种子培养基的消前pH6.5-7.5，中生菌素发酵温度为25℃，通气量为600-650L/min，搅拌速度为120rmp，淡紫链霉菌接种量为10%，补料量为3mL/L·h，阴极液体为陕西麦可罗春雷霉素发酵车间废水，配置废水COD初始浓度为650mg/L，氨氮浓度为65mg/L，以此构建淡紫链霉菌的MFC。
实施例2：
在MFC阳极区接种淡紫链霉菌，其阳极接种液为葡萄糖（AR）1.5%、冷榨黄豆饼粉（IR）2.0%、玉米粉（FR）0.15%、玉米淀粉（FR）1.5%、NH4Cl（AR）0.45%、NaCl（AR）0.35%、MgSO4·7H2O（AR）0.03%、KH2PO4（AR）0.03%、轻质CaCO3（AR）0.04%、自来水配制，所述摇瓶种子培养基的消前pH6.5-7.5，中生菌素发酵温度为25℃，通气量为600-650L/min，搅拌速度为120rmp，淡紫链霉菌接种量为10%，补料量为3mL/L·h，在无外加电场时中生菌素F含量随发酵时间的延长变化趋势是先增加后基本不变再减少的，在发酵时间为24h之后达到最大值。线粒体酶I含量随发酵时间的延长变化趋势是先缓慢增加后减少的，在发酵时间72h左右达到最大值。线粒体酶II含量随发酵时间的延长变化趋势是持续缓慢增加的。线粒体酶III含量随发酵时间的延长变化趋势是先缓慢增加后减少的，在发酵时间36h左右达到最大值（具体变化见图2）。
其中，淡紫链霉菌海南变种诱变菌株发酵过程的线粒体酶测定方法，其特征在于，其主要步骤如下：A：阳极淡紫链霉菌海南变种诱变菌株发酵液预处理：取不同发酵时段的发酵液0.5-2mL, 优选0.9mL；离心转速15000-20000rmp，优选15000rmp；超速离心10-20min,，优选15min；取上清液作为测试淡紫链霉菌海南变种诱变菌株的线粒体复合酶系样品；B：阳极淡紫链霉菌海南变种诱变菌株线粒体复合酶I的测定方法如下：取经A处理的实验样品900微升样品加入100微升双甘氨肽缓冲液(6mmol/L NADH 0.2mmol/L，双甘氨肽0.5mmol，细胞色素C，pH8.5，反应2分钟，在紫外分光光度计550nm吸光度测量。C：阳极淡紫链霉菌海南变种诱变菌株线粒体复合酶II的测定方法如下：取经A处理的实验样品100微升加入缓冲液(0.03M/L铁氢化钾0.2mmol/LPBS，1%牛血清蛋白和0.6mol/l琥珀酸)900微升，反应2分钟， 在紫外分光光度计420nm测量。D：阳极淡紫链霉菌海南变种诱变菌株线粒体复合酶III的测定方法如下：取经A处理的实验样品100微升加入900微升缓冲液(0.3mmol/L细胞色素C )在75mM/L磷酸盐缓冲液反应2分钟，在紫外分光光度计550nm吸光值测定
实施例3：
在MFC阳极区接种淡紫链霉菌，其阳极接种液为葡萄糖（AR）1.5%、冷榨黄豆饼粉（IR）2.0%、玉米粉（FR）0.15%、玉米淀粉（FR）1.5%、NH4Cl（AR）0.45%、NaCl（AR）0.35%、MgSO4·7H2O（AR）0.03%、KH2PO4（AR）0.03%、轻质CaCO3（AR）0.04%、自来水配制，所述摇瓶种子培养基的消前pH6.5-7.5，中生菌素发酵温度为25℃，通气量为600-650L/min，搅拌速度为120rmp，淡紫链霉菌接种量为10%，补料量为3mL/L·h，在外加电场20mA作用下中生菌素含量随发酵时间变化情况见图3，从图3中可以看出在外加20mA直流电时中生菌素F含量随发酵时间的延长变化趋势是先增加后基本不变的，在发酵时间为36h之后达到最大值。线粒体酶I含量随发酵时间的延长变化趋势是持续增加的。线粒体酶II含量随发酵时间的延长变化趋势是持续缓慢增加的。线粒体酶III含量随发酵时间的延长变化趋势是先缓慢增加后减少的，在发酵时间72h左右达到最大值。
实施例4：
在MFC阳极区接种淡紫链霉菌，其阳极接种液为葡萄糖（AR）1.5%、冷榨黄豆饼粉（IR）2.0%、玉米粉（FR）0.15%、玉米淀粉（FR）1.5%、NH4Cl（AR）0.45%、NaCl（AR）0.35%、MgSO4·7H2O（AR）0.03%、KH2PO4（AR）0.03%、轻质CaCO3（AR）0.04%、自来水配制，所述摇瓶种子培养基的消前pH6.5-7.5，中生菌素发酵温度为25℃，通气量为600-650L/min，搅拌速度为120rmp，淡紫链霉菌接种量为10%，补料量为3mL/L·h，在外加电场40mA作用下中生菌素含量随发酵时间变化情况见图4，从图4可以看出，在外加40mA直流电时中生菌素F含量随发酵时间的延长变化趋势是先增加后基本不变再增加的，在发酵时间为36h之后达到最最大值。线粒体酶I含量随发酵时间的延长变化趋势是持续增加的。线粒体酶II含量随发酵时间的延长变化趋势是持续增加的。线粒体酶III含量随发酵时间的延长变化趋势是先缓慢增加的。
实施例5：
在MFC阳极区接种淡紫链霉菌，其阳极接种液为葡萄糖（AR）1.5%、冷榨黄豆饼粉（IR）2.0%、玉米粉（FR）0.15%、玉米淀粉（FR）1.5%、NH4Cl（AR）0.45%、NaCl（AR）0.35%、MgSO4·7H2O（AR）0.03%、KH2PO4（AR）0.03%、轻质CaCO3（AR）0.04%、自来水配制，所述摇瓶种子培养基的消前pH6.5-7.5，中生菌素发酵温度为25℃，通气量为600-650L/min，搅拌速度为120rmp,淡紫链霉菌接种量为10%，补料量为3mL/L·h，在外加电场80mA作用下中生菌素含量随发酵时间变化情况见图5，从图5可知，在外加80mA直流电时中生菌素F含量随发酵时间的延长变化趋势是持续减少的。线粒体酶I含量随发酵时间的延长变化趋势是持续减少的。线粒体酶II含量随发酵时间的延长变化趋势是持续缓慢减少的。线粒体酶III含量随发酵时间的延长变化趋势是先缓慢减少的。
实施例6：
在MFC阳极区接种淡紫链霉菌，其阳极接种液为葡萄糖（AR）1.5%、冷榨黄豆饼粉（IR）2.0%、玉米粉（FR）0.15%、玉米淀粉（FR）1.5%、NH4Cl（AR）0.45%、NaCl（AR）0.35%、MgSO4·7H2O（AR）0.03%、KH2PO4（AR）0.03%、轻质CaCO3（AR）0.04%、自来水配制，所述摇瓶种子培养基的消前pH6.5-7.5，中生菌素发酵温度为25℃，通气量为600-650L/min，搅拌速度为120rmp，淡紫链霉菌接种量为10%，补料量为3mL/L·h，以单变量为直流电设定量分别以40mA的外加直流电，以单变量为磁场设定增量分别以0T，0.1T，0.2T，0.4T的外加磁场，两因素交叉组合，在外加直流电40mA和外加磁场为0.2T时，中生菌素F组分含量最高，发酵84h，中生菌素含量3.05g/L（具体见图6，图7和图8）。
实施例7：
在MFC阳极区接种淡紫链霉菌，其阳极接种液为葡萄糖（AR）1.5%、冷榨黄豆饼粉（IR）2.0%、玉米粉（FR）0.15%、玉米淀粉（FR）1.5%、NH4Cl（AR）0.45%、NaCl（AR）0.35%、MgSO4·7H2O（AR）0.03%、KH2PO4（AR）0.03%、轻质CaCO3（AR）0.04%、自来水配制，所述摇瓶种子培养基的消前pH6.5-7.5，中生菌素发酵温度为25℃，通气量为600-650L/min，搅拌速度为120rmp，淡紫链霉菌接种量为10%，补料量为3mL/L·h，阴极液体为陕西麦可罗春雷霉素发酵车间废水，配置废水COD初始浓度为650mg/L，氨氮浓度为65mg/L。当外加电场为40mA和磁场0.2T时，其阴极区春雷霉素废水COD出水浓度11.8mg/L（COD降低率超过95%，优选超过98%），出水氨氮浓度3.83mg/L（氨氮降低率超过90%，优选超过94%），该出水COD浓度和氨氮浓度显著低于外加其他电场强度和磁场强度的任何组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
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