【摘要】：為探究環(huán)境因素對亞硝酸鹽氧化菌(Nitrite-oxidizing bacteris,NOB)生長特性的影響,本文在研究溫度、pH值對NOB活性影響的基礎上,進一步開展了NOB的基質(zhì)抑制劑研究。采用序批式反應器(SBR),梯度增加亞硝態(tài)氮(NO_2~--N)濃度達到富集NOB的基礎上,以富含NOB的活性污泥為研究對象,基于宏基因組測序、16Sr RNA高通量測序、熒光定量PCR及功能基因分析等技術考察不同溫度、pH值、游離亞硝酸(FNA)以及游離氨(FA)條件下,比亞硝態(tài)氮氧化速率(SNiOR)的變化規(guī)律。通過Monod模型、基質(zhì)抑制動力學模型及非基質(zhì)抑制動力學模型對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合,探究溫度、pH值、FNA及FA對NOB活性動力學影響,并對擬合結果進行統(tǒng)計學分析。旨在為優(yōu)化生物脫氮技術提供理論支持,以此獲得高效、穩(wěn)定的硝化效果。NOB富集試驗過程發(fā)現(xiàn),控制溶解氧濃度(DO≥4 mg·L~(-1)),T=25℃條件下,以亞硝酸鈉(NaNO_2)為唯一能源,通過梯度提高NO_2~--N濃度,可實現(xiàn)NOB的快速富集。宏基因組物種注釋和豐度分析顯示,NOB富集系統(tǒng)屬水平上硝化桿菌屬(Nitrobacter)占全部細菌的38.0%。此外,基因測序結果顯示其余菌屬占比均低于5%,表明經(jīng)過富集培養(yǎng)后SBR系統(tǒng)污泥微生物中NOB占絕對優(yōu)勢地位。將蛋白序列與KEGG氮代謝通路數(shù)據(jù)庫進行比對發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)主要進行亞硝酸鹽氧化反應和反硝化反應,其中與NO_2~--N氧化過程有關的亞硝酸鹽氧化還原酶(nxrA基因和nxrB基因)占總氮代謝基因的13.5%�；贛onod模型考察不同溫度(15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、38℃、40℃)對NOB活性動力學影響,并進行統(tǒng)計學分析。結果表明,30℃條件下SNiOR達到最大,為1.31 gN·(gVSS·d)~(-1)。統(tǒng)計學方差分析結果顯示Monod方程可較好的描述不同溫度條件下NO_2~--N濃度對NOB活性的影響�；诓煌瑴囟葏^(qū)間內(nèi)溫度系數(shù)(θ)的變化規(guī)律可知,當系統(tǒng)溫度低于25℃或高于30℃時,NOB活性隨溫度的變化越敏感�；�16Sr RNA高通量測序技術探究3個不同溫度(25℃、35℃、40℃)條件下活性污泥樣品菌群結構的變化規(guī)律顯示,物種豐富度和多樣性的排序為:25℃35℃40℃。通過對屬水平細菌群落結構分析可知,40℃不利于硝化螺菌屬(Nitrospira)菌屬的生長和繁殖。微生物的關聯(lián)網(wǎng)絡圖顯示SNiOR的大小與Nitrospir呈正相關,相關系數(shù)為0.95,且在NOB富集系統(tǒng)內(nèi)Nitrospira是SNiOR大小的唯一影響因素。通過KEGG數(shù)據(jù)庫對微生物代謝功能分析可知,在溫度由35℃增加到40℃的過程中,系統(tǒng)碳水化合物代謝和能量代謝呈下降趨勢。以nxrA、nxrB基因序列為引物,基于熒光定量PCR及功能基因測序技術,考察6個不同pH值(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5)對NOB活性及其Monod方程動力學參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn),當pH值介于6.0~7.0時,隨著pH值的增加,NOB活性逐漸增加,當pH值介于7.0~8.5時,NOB活性隨著pH值的增加逐漸降低。不同pH條件下Monod模型均可較好地描述基質(zhì)底物濃度對NOB活性的影響。擬合結果顯示,pH=7.0條件下r_(max)達到最大,為1.134gN·(gVSS·d)~(-1),表明在該pH條件下NOB活性最好。熒光定量PCR分析結果顯示,不同pH值(6.0、7.5、8.0)條件下,nxrA基因拷貝數(shù)相對大小為:pH_(7.5)pH_(8.5)pH_(6.0),nxrB基因拷貝數(shù)相對大小為:pH_(7.5)pH_(6.0)pH_(8.5),表明酸性條件對nxrA基因活性影響更大,堿性條件對nxrB基因活性影響更大�；诨|(zhì)抑制動力學判斷FNA是否為NOB真正基質(zhì)底物和抑制劑發(fā)現(xiàn),不同pH值(6.5、7.0、8.0)條件下,采用Aiba模型擬合NOB活性是最優(yōu)的。擬合結果顯示,當pH=6.5時,NO_2~--N33.7 mg·L~(-1),FNA0.07 mg·L~(-1)時SNiOR降低,NOB開始被抑制。當pH=7.0時,NO_2~--N261.8 mg·L~(-1),FNA0.21 mg·L~(-1)時SNiOR降低,NOB開始被抑制。pH=8.0時,NO_2~--N995.7mg·L~(-1),FNA0.08 mg·L~(-1)時SNiOR降低,NOB開始被抑制。由于系統(tǒng)溫度恒定為25℃,同時在消除pH值對NOB活性影響后發(fā)現(xiàn),相比于NO_2~--N濃度對NOB活性的影響,FNA濃度對NOB產(chǎn)生了強烈的抑制作用,表明FNA為NOB的真正抑制劑。熒光定量PCR分析技術顯示,NOB富集系統(tǒng)在低NO_2~--N濃度條件下,nxrA和nxrB基因均存在,在高NO_2~--N濃度條件下,nxrA基因大量積累,nxrB基因逐漸降低。此外,基于非基質(zhì)抑制動力學研究FA對NOB的抑制類型發(fā)現(xiàn),FA抑制NOB活性抑制類型符合非競爭性可逆抑制動力學。
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X703
【圖文】：

圖 1.1 Nitrobacter SEM 圖[18]Fig.1.1 Scanning electron microscopy (SEM) of Nitrobacter長時，菌體呈桿狀或梨狀，芽細胞明顯。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，表面上覆蓋著 10nm 厚的的電子致密層。冰凍蝕刻或復染后，可粒成對的排列在膜的表面，該顆粒與亞硝酸氧化活性有關，如圖 1長時，細胞主要通過出芽或裂殖的方式進行細胞繁殖；由于細胞生成大量的聚 β-羥基丁酸，使細胞發(fā)生變形，細胞內(nèi)膜減少或消失，面及內(nèi)膜上，無法觀察到電子致密層和直徑為 7~9nm 的顆粒。ococcus菌屬（Nitroococcus）菌體形態(tài)呈球狀，其 SEM 如圖 1.2 所示。細。屬于好氧細菌，生長溫度介于 15~30℃之間，最適生長 pH 范圍介于（a）（b）

圖 1.3 Nitrospina 菌株相差顯微照片（a）與投射電鏡照片（b）[18]Fig.1.3 Differential micrographs (a) and projected electron microscopic photographs (b) of Nitrospina（4）Nitrospira硝化螺菌屬（Nitrospira）菌體形態(tài)呈螺旋狀，通常旋 1~20 圈（圖 1.4）。細胞無內(nèi)膜和羧酶體，屬于革蘭氏陰性菌，好氧生長。適宜生長溫度范圍為 20~30℃，適宜 pH值介于 7.6~8.0 之間，可以自養(yǎng)生長，同化 CO2，也可以混養(yǎng)生長，同化有機物。圖 1.4 Nitrospira 菌株透射電鏡照片[18]

無法同化有機物。圖 1.3 Nitrospina 菌株相差顯微照片（a）與投射電鏡照片（b）[18].1.3 Differential micrographs (a) and projected electron microscopic photographs (b) of Nitrositrospira化螺菌屬（Nitrospira）菌體形態(tài)呈螺旋狀，通常旋 1~20 圈（圖 1.4）。細胞酶體，屬于革蘭氏陰性菌，好氧生長。適宜生長溫度范圍為 20~30℃，適宜 7.6~8.0 之間，可以自養(yǎng)生長，同化 CO2，也可以混養(yǎng)生長，同化有機物。（b）

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本文編號：2758336