【摘要】：微生物在全球石油烴類污染物的降解過(guò)程中起著非常重要的作用。對(duì)于油田富含石油烴的石油采出水(OPW),生物技術(shù)被認(rèn)為是一種綠色環(huán)保,且具有廣闊應(yīng)用前景的治理技術(shù)。OPW往往具有高溫、高鹽及難降解等特點(diǎn)。然而,在現(xiàn)有相關(guān)生物技術(shù)研究中,無(wú)論是生化工藝、菌群或單一菌株,反應(yīng)條件均以室溫為主,而在實(shí)際OPW高溫條件下(≥45℃)的生物技術(shù)研究鮮有報(bào)告,這直接限制了培養(yǎng)高溫耐鹽嗜油微生物降解OPW的生化技術(shù)在油田領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。因此,研究高溫條件下生化工藝運(yùn)行情況、菌群分布特征及高效嗜油菌株性能和機(jī)理是非常重要且必要的。首先,本研究以華北油田和遼河油田兩個(gè)采用培養(yǎng)高溫耐鹽嗜油微生物直接處理OPW的污水處理廠為研究對(duì)象,系統(tǒng)分析了它們的水質(zhì)特征、各工藝單元污染物降解性能及菌群分布特征。相比于華北油田污水處理廠采用的O1/O2活性污泥法,遼河油田采用的An/O1/O2生物膜法對(duì)OPW中的污染物去除性能更優(yōu)。結(jié)合兩廠各工藝段常規(guī)指標(biāo)變化、氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析、高通量測(cè)序及菌群多樣性分析等手段,本研究從各工藝段的作用、各功能區(qū)菌群分布特征及石油烴降解機(jī)理等角度揭示了不同污水處理廠石油降解性能差異產(chǎn)生的機(jī)理,并通過(guò)基于距離的冗余分析(db-RDA)初步研究了不同工藝段的溫度、DO、Cl-及石油烴組分與微生物菌群分布之間的相關(guān)性。其次,為了準(zhǔn)確探究單一環(huán)境因子對(duì)菌群的影響,本研究開(kāi)展了不同運(yùn)行工況及碳源下,菌群的演變?cè)囼?yàn)研究。通過(guò)菌群分布、占比前五屬水平微生物變化追蹤、db-RDA分析、Spearman相關(guān)性熱圖、系統(tǒng)發(fā)生進(jìn)化樹(shù)及16S功能預(yù)測(cè)等分析,研究了環(huán)境因子影響菌群分布及功能的機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同培養(yǎng)條件及碳源對(duì)各組微生物菌群的數(shù)量(OD600、MLSS)、性狀指標(biāo)(SV30、SVI、CSH、EPS)、性能指標(biāo)(酶活性及酶分布、TPH或COD去除、石油烴降解)、菌群分布及同源蛋白簇(COG)代謝功能均會(huì)造成不同程度的影響;各環(huán)境因子對(duì)菌群的分布影響程度為:Cl-溫度≈芳香烴DOBFC烷烴H2O2,其中,Cl-和菌屬之間表現(xiàn)出較為平均的正負(fù)相關(guān)性,溫度與大多數(shù)菌屬為負(fù)相關(guān),而碳源(烷烴或芳香烴)、DO、H2O2及BFC和大多數(shù)菌屬為正相關(guān)。再次,從兩個(gè)高溫高鹽油田環(huán)境中篩選出三株可在45℃下利用OPW中石油烴作為碳源的革蘭氏陽(yáng)性菌株:微小桿菌HPB-1、栗褐芽孢桿菌HPB-2和類芽孢桿菌HPB-3,并分析對(duì)比了它們的生理生化指標(biāo)、耐溫耐鹽性、細(xì)胞表面親疏水性、石油烴吸附及降解性能。研究表明,具有不同菌落及單一細(xì)胞形態(tài)的三株菌株對(duì)兩個(gè)油田OPW中的石油烴均具有較好的降解效果。相比較而言,本土菌株可更好地吸附和降解對(duì)應(yīng)OPW中的石油烴。各菌株細(xì)胞生長(zhǎng)速度、表面活性劑產(chǎn)量及乳化性、酶活性與石油烴的去除率之間明顯正相關(guān),且為:HPB-2HPB-3 HPB-1。和表面活性劑及胞內(nèi)酶在降解過(guò)程中的作用相比,微生物本身在TPH降解過(guò)程中起主導(dǎo)作用�；旌暇�(HPB-2和HPB-3)具有協(xié)同效應(yīng),TPH去除率較各單一菌株提高了6.5%-43.8%。最后,通過(guò)全基因掃描圖測(cè)序分析了三株菌株的全編碼基因組成,并將各菌株所有編碼基因分別在NR、Swiss-Prot及KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索比對(duì),從基因的角度解釋了:(1)三株菌株均對(duì)富含烷烴類物質(zhì)的華北油田OPW具有較好的降解效果;(2)處理富含芳香烴的遼河油田實(shí)際OPW時(shí)降解效果HPB-2HPB-3 HPB-1及(3)它們均可適應(yīng)高溫高鹽OPW環(huán)境。在三株菌株全基因測(cè)序及石油烴代謝相關(guān)編碼基因檢索的基礎(chǔ)上,結(jié)合它們對(duì)石油采出水中石油烴降解的GC-MS分析結(jié)果及它們關(guān)鍵酶活性和分布分析結(jié)果,建立了一種可能的高溫高鹽石油采出水中,嗜油菌石油烴降解-關(guān)鍵酶-編碼基因模型,闡明了編碼基因控制關(guān)鍵酶產(chǎn)生,并將其進(jìn)行胞內(nèi)、周質(zhì)轉(zhuǎn)移或釋放至胞外位置,作用于石油烴及其代謝中間產(chǎn)物的機(jī)制。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X172;X741
【圖文】：

２．１．１試驗(yàn)平臺(tái)逡逑（１）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)逡逑華北油田楚一聯(lián)石油采出水污水處理廠（圖２．１ａ，邋３８．１７３１２５邋Ｎ，１１５．８５０８２３邋Ｅ，逡逑以下簡(jiǎn)稱：華北油田污水處理廠）及遼河油田歡三聯(lián)石油采出水污水處理廠（圖逡逑２．１ｂ，４１．２０６７３５邋Ｎ，１２１．８９８９３９邋Ｅ，以下簡(jiǎn)稱：遼河油田污水處理廠）是國(guó)內(nèi)較早逡逑采用馴化高溫耐鹽嗜油微生物直接處理各自ＯＰＷ的兩個(gè)污水處理廠。其中，華北逡逑油田污水處理廠采用兩級(jí)好氧（Ｏｉ／０２）活性污泥法，處理流量為３０００邋ｍＶｄ，水力逡逑停留時(shí)間１６邋ｈ邋（０１：邋８邋ｈ；邋０２：邋８邋ｈ）。遼河油田污水處理廠采用厭氧＋兩級(jí)好氧逡逑（Ａｎ／0ｉ／0２）生物膜法，處理規(guī)模５０００邋ｍ３／ｄ，水力停留時(shí)間２２邋ｈ邋（Ａｎ：邋６邋ｈ；邋Ｏｉ：邋８邋ｈ；逡逑？２：邋８邋ｈ）。兩個(gè)污水處理廠均己穩(wěn)定運(yùn)行兩年以上。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，華北油田逡逑污水處理廠不添加任何化學(xué)藥劑，遼河油田污水處理廠由于進(jìn)水較低的總磷（ＴＰ）逡逑濃度和ｐＨ值（ＴＰ＝１．８－２．７；邋ｐＨ＝６．４－６．８），因此在整廠進(jìn)水端，通過(guò)投加磷酸氫二逡逑鉀（Ｋ２ＨＰ0４）的方式將ＴＰ濃度調(diào)至６．５±０．５邋ｍｇ邋Ｌ－Ｓ并在Ｏｉ進(jìn)水端

從兩個(gè)污水處理廠各工藝段的進(jìn)水口和出水口分別收集充足的污水樣本，行后續(xù)指標(biāo)測(cè)試前，用０．４５邋ｐｍ濾紙進(jìn)行過(guò)濾處理，以去除水體中的懸浮若干無(wú)菌１邋Ｌ玻璃瓶分別收集華北油田污水處理廠各功能區(qū)的活性污泥油田污水處理廠各功能區(qū)的生物膜。為了保證收集的微生物樣本具有代表別從各功能區(qū)的前、中、后端各取三個(gè)樣本進(jìn)行混合，最終獲得的每個(gè)樣少于５００邋ｍＬ。污水和微生物樣本從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室過(guò)程中（＜８邋ｈ）放置的桶中，運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室后４°Ｃ低溫保存待用。逡逑（２）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平臺(tái)逡逑實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平臺(tái)由三部分組成，如圖２．２所示：圖２．２ａ為前期市政接種常溫下大量馴化培養(yǎng)及相關(guān)試驗(yàn)反應(yīng)裝置；圖２．２ｂ為可控恒溫條件下厭氧置，該裝置完成了微生物菌群在４５°Ｃ下厭氧馴化及反應(yīng)試驗(yàn)，厭氧組反應(yīng)１Ｌ廣口瓶，瓶口含排氣瓶塞，配攪拌器一臺(tái)，首次接種市政污泥５００邋ｍＬ每次更換遼河油田原水體積５００邋ｍＬ；圖２．２ｃ為可控恒溫多組搖瓶試驗(yàn)裝完成不同運(yùn)行條件及碳源下，微生物菌群馴化培養(yǎng)及降解性能試驗(yàn)，以株的篩選、放大培養(yǎng)及降解性能試驗(yàn)。逡逑

有冰的桶中，運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室后４°Ｃ低溫保存待用。逡逑（２）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平臺(tái)逡逑實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平臺(tái)由三部分組成，如圖２．２所示：圖２．２ａ為前期市政接種污泥逡逑在常溫下大量馴化培養(yǎng)及相關(guān)試驗(yàn)反應(yīng)裝置；圖２．２ｂ為可控恒溫條件下厭氧反應(yīng)逡逑裝置，該裝置完成了微生物菌群在４５°Ｃ下厭氧馴化及反應(yīng)試驗(yàn)，厭氧組反應(yīng)容器逡逑采用１Ｌ廣口瓶，瓶口含排氣瓶塞，配攪拌器一臺(tái)，首次接種市政污泥５００邋ｍＬ，逡逑之后每次更換遼河油田原水體積５００邋ｍＬ；圖２．２ｃ為可控恒溫多組搖瓶試驗(yàn)裝置，逡逑主要完成不同運(yùn)行條件及碳源下，微生物菌群馴化培養(yǎng)及降解性能試驗(yàn)，以及單逡逑一菌株的篩選、放大培養(yǎng)及降解性能試驗(yàn)。逡逑Ｌ邋１逡逑圖２．２小試試驗(yàn)裝置逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｂｅｎｃｈ－ｓｃａｌｅ邋ａｐｐａｒａｔｕｓ．逡逑２．１．２試驗(yàn)材料逡逑（１）試驗(yàn)用水逡逑試驗(yàn)用水分為華北油田和遼河油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際ＯＰＷ和自配水兩種。不同碳源試逡逑１２逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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