【摘要】：微生物催化的亞硝酸鹽型厭氧甲烷氧化過程(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)耦合了厭氧甲烷氧化過程和亞硝酸鹽還原過程,可以同時(shí)消除甲烷和氮素的污染,是一種潛在的新型廢水除碳脫氮工藝。然而,N-DAMO細(xì)菌代謝活性低(細(xì)胞比活性一般僅為0.1-0.3 fmol CH4·day-1·cell-1),生長非常緩慢(細(xì)胞倍增期一般需要數(shù)周甚至幾個(gè)月),導(dǎo)致獲得富集培養(yǎng)物非常困難,限制了機(jī)理研究和工程化應(yīng)用。本論文通過添加第二液相強(qiáng)化甲烷氣液傳質(zhì)效率、添加生長因子優(yōu)化營養(yǎng)條件和去除溶解氧減輕環(huán)境脅迫,從傳質(zhì)條件、營養(yǎng)條件和環(huán)境條件三方面入手探究三種手段對(duì)N-DAMO細(xì)菌生長與活性的影響,優(yōu)化N-DAMO的富集培養(yǎng)條件,加快N-DAMO的富集培養(yǎng)速度。主要研究結(jié)果如下:1.研究了石蠟油、表面活性劑C16TAB和SDS等第二液相對(duì)N-DAMO活性、細(xì)菌數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的影響,優(yōu)選了第二液相類型及其最適濃度。氣液傳質(zhì)結(jié)果表明,添加石蠟油、C16TAB和SDS均能提高a值。在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi):石蠟油0.0-16.0%v/v、C16TAB 0.0-1.0 mmol L-1和SDS 0.0-1.0 mmol L-1,a值分別為0.8%-4.4%、0.8%-2.7%和0.8%-2.7%,分別增加了 1.6-4.3倍、1.2-2.3倍和0.4-2.2倍。短期活性試驗(yàn)結(jié)果表明,添加石蠟油可以促進(jìn)N-DAMO活性,石蠟油最優(yōu)濃度為12.0%v/v,此時(shí)亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率和甲烷消耗速率分別可提高1.0和2.1倍。添加C16TAB和SDS不能促進(jìn)N-DAMO活性。長期石蠟油優(yōu)化培養(yǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)表明,添加12.0%v/v石蠟油可以提高N-DAMO活性、增加N-DAMO菌的數(shù)量和相對(duì)豐度。長期試驗(yàn)后,石蠟油組亞硝酸鹽還原速率和甲烷消耗速率分別提高了 1.0倍和2.6倍,分別是對(duì)照組(不添加石蠟油)的1.8倍和3.6倍;N-DAMO細(xì)菌數(shù)量增加了2.4倍,是對(duì)照組的1.4倍;NC10門細(xì)菌的相對(duì)豐度提高了2.3倍,是對(duì)照組的1.5倍。2.研究了復(fù)合維生素、堿基、血紅素和甜菜堿等生長因子對(duì)N-DAMO活性、細(xì)菌數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的影響,獲得了最優(yōu)生長因子組合。短期單因子試驗(yàn)結(jié)果表明,維生素對(duì)N-DAMO活性有促進(jìn)作用,維生素最優(yōu)濃度為15.0 μg L-1,此時(shí)亞硝酸鹽還原速率和甲烷氧化速率是對(duì)照組的1.3倍;堿基對(duì)N-DAMO活性有促進(jìn)作用,當(dāng)堿基濃度為5.0 μg L-1時(shí),N-DAMO活性已基本提升到平臺(tái)期,亞硝酸鹽還原速率和甲烷消耗速率分別是對(duì)照組的1.4倍和1.6倍;低濃度血紅素對(duì)N-DMO活性有促進(jìn)作用,但濃度持續(xù)增加會(huì)有抑制作用,血紅素最優(yōu)濃度為10.0 μg L-1,此時(shí)亞硝酸鹽還原速率和甲烷氧化速率分別是對(duì)照組的1.2倍和1.9倍;甜菜堿對(duì)N-DAMO活性具有明顯促進(jìn)作用,當(dāng)甜菜堿濃度由0.0 μg L-1增加至200.0 μg L-1時(shí),亞硝酸鹽還原速率和甲烷氧化速率分別提高了0.5倍和0.9倍,繼續(xù)增加甜菜堿濃度兩者能持續(xù)有促進(jìn)效果,但促進(jìn)幅度降低。根據(jù)單因子試驗(yàn)結(jié)果確定后續(xù)正交試驗(yàn)各因素濃度范圍:復(fù)合維生素2.0-18.0μg L-1,血紅素4.0-20.0 μg L-1,堿基0.5-4.5 μg L-1,甜菜堿40.0-200.0 μg L-1。長期正交試驗(yàn)結(jié)果表明,最優(yōu)生長因子組合為2.0 μg L-1復(fù)合維生素、4.5μg L-1堿基、20.0μg L-1血紅素和200.0 μg L-1甜菜堿,亞硝酸鹽還原速率和甲烷消耗速率分別比對(duì)照組提高了 2.9和1.2倍。極差分析確定甜菜堿和堿基為主要的影響因子,結(jié)合單因子試驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮選擇5.0 μg L-1堿基和200.0 μg L-1甜菜堿作為改良培養(yǎng)基的生長因子。改良培養(yǎng)基驗(yàn)證結(jié)果表明,添加甜菜堿和堿基確實(shí)可以提高N-DAMO活性。當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至第172天時(shí),D組(甜菜堿+堿基)、C組(甜菜堿)和B組(堿基)的最終亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率分別是初始亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率的13.3、10.5和9.0倍,添加甜菜堿+堿基組的活性促進(jìn)效果最優(yōu)。根據(jù)改良培養(yǎng)基驗(yàn)證結(jié)果,將甜菜堿+堿基作為改良培養(yǎng)基應(yīng)用于MGSLR反應(yīng)器中。改良培養(yǎng)基應(yīng)用結(jié)果表明,甜菜堿和堿基的添加促進(jìn)了 N-DAMO活性,當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至第348天時(shí),容積氮去除負(fù)荷由初始的12.3 mg N L-1 d-1增加到70.2 mgN L-1 d-1,提高了 4.7倍。改良培養(yǎng)基的應(yīng)用也提高了N-DAMO細(xì)菌的數(shù)量和相對(duì)豐度,數(shù)量達(dá)到1.4×108copies mL-1(污泥混合液),增加了225.0倍;NC10門細(xì)菌的相對(duì)豐度占總菌的14.4%,提高了 143.0倍。改良培養(yǎng)基的應(yīng)用也促進(jìn)了 N-DAMO細(xì)菌致密聚合體(由初始的絮體形成大小為20-50 μm的顆粒)的形成,這有助于減少菌體流失,快速提升N-DAMO反應(yīng)器性能。3.研究了溶解氧對(duì)N-DAMO活性、細(xì)菌數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和N-DAMO功能基因組成的影響,提出了可行的環(huán)境調(diào)控策略。溶解氧對(duì)N-DAMO活性有抑制作用。在培養(yǎng)基未除氧階段,反應(yīng)器中容積氮去除負(fù)荷低于10.9 mg N L-1 d-1,亞硝酸鹽去除率不到65.0%;當(dāng)培養(yǎng)基除氧后,前者穩(wěn)定在16.2 mgN L-1 d-1,后者基本維持在100.0%。溶解氧導(dǎo)致N-DAMO細(xì)菌數(shù)量和相對(duì)豐度降低。在未除氧階段,隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,N-DAMO細(xì)菌數(shù)量由初始的2.2 × 10 copies · g-1(生物量)降低至1.5 X 109 copies ·g-1(生物量),降低了 93.2%;NC10門細(xì)菌的相對(duì)豐度從初始的1 4.4%降低至0.3%,降低了 97.9%。在除氧階段,N-DAMO細(xì)菌數(shù)量由1.5X 109 copies·g-1(生物量)提高至2.0X 1011 copies·g-1(生物量),提高了 130.4倍;NC10門細(xì)菌的相對(duì)豐度從0.3%提高至16.2%,提高了 53.0倍。溶解氧對(duì)甲烷氧化和亞硝酸鹽還原功能基因豐度有影響。來自好氧甲烷氧化細(xì)菌的pmo基因豐度與來自NC10門細(xì)菌的pmo基因豐度的比值在除氧前后分別為2.0和0.7,去除溶解氧后反應(yīng)器中來自NC10門細(xì)菌的pmo基因占主導(dǎo)地位。與培養(yǎng)基未除氧階段相比,與N-DAMO細(xì)菌相關(guān)的甲烷氧化和亞硝酸鹽還原功能基因豐度在培養(yǎng)基除氧階段更高。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X703;X172
【圖文】：

ｃＭ［３４］＃（Ｔａ／７＾＾Ｗｗｌｓ，Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｒａｂｉｌｉｓｌｉｍｎｅｔｉｃａ（Ｍ／／／７ｍｅ／／（：ａ）ｌ３：＞Ｉ0逡逑Ｎ－ＤＡＭＯ細(xì)菌是革蘭氏陰性菌（ＧＯ邋，細(xì)胞直徑和長度分別為０．２－０．５ｐｍ和逡逑０．８－ｌ．ｌ｜ａｍｌ２８ｌ。菌體呈特殊的多邊形（星狀）（圖１－１），菌體具有維持特殊結(jié)構(gòu)逡逑的細(xì)胞表面蛋白（Ｓ－ｌａｙｅｒｐｒｏｔｅｉｎ）［３６】。與其它已知的甲院氧化細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同，逡逑該細(xì)菌不具備可結(jié)合顆粒狀甲q業(yè)ゼ友趺福ǎ穡幔潁簦椋悖酰歟幔簦邋澹恚澹簦瑁幔睿邋澹恚錚睿錚錚紓澹睿幔螅澹義希穡停停希┑南赴誓諛ぃǎ椋睿簦潁幔悖簦錚穡歟幔螅恚椋沐澹恚澹恚猓潁幔睿澹螅荊常丁

本文編號(hào)：2718013