温度、pH值和游离亚硝酸对亚硝酸盐氧化菌活性动力学及微生物种群结构影响研究

发布时间：2020-07-16 18:17

【摘要】：为探究环境因素对亚硝酸盐氧化菌(Nitrite-oxidizing bacteris,NOB)生长特性的影响,本文在研究温度、pH值对NOB活性影响的基础上,进一步开展了NOB的基质抑制剂研究。采用序批式反应器(SBR),梯度增加亚硝态氮(NO_2~--N)浓度达到富集NOB的基础上,以富含NOB的活性污泥为研究对象,基于宏基因组测序、16Sr RNA高通量测序、荧光定量PCR及功能基因分析等技术考察不同温度、pH值、游离亚硝酸(FNA)以及游离氨(FA)条件下,比亚硝态氮氧化速率(SNiOR)的变化规律。通过Monod模型、基质抑制动力学模型及非基质抑制动力学模型对试验数据进行非线性拟合,探究温度、pH值、FNA及FA对NOB活性动力学影响,并对拟合结果进行统计学分析。旨在为优化生物脱氮技术提供理论支持,以此获得高效、稳定的硝化效果。NOB富集试验过程发现,控制溶解氧浓度(DO≥4 mg·L~(-1)),T=25℃条件下,以亚硝酸钠(NaNO_2)为唯一能源,通过梯度提高NO_2~--N浓度,可实现NOB的快速富集。宏基因组物种注释和丰度分析显示,NOB富集系统属水平上硝化杆菌属(Nitrobacter)占全部细菌的38.0%。此外,基因测序结果显示其余菌属占比均低于5%,表明经过富集培养后SBR系统污泥微生物中NOB占绝对优势地位。将蛋白序列与KEGG氮代谢通路数据库进行比对发现,系统主要进行亚硝酸盐氧化反应和反硝化反应,其中与NO_2~--N氧化过程有关的亚硝酸盐氧化还原酶(nxrA基因和nxrB基因)占总氮代谢基因的13.5%。基于Monod模型考察不同温度(15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、38℃、40℃)对NOB活性动力学影响,并进行统计学分析。结果表明,30℃条件下SNiOR达到最大,为1.31 gN·(gVSS·d)~(-1)。统计学方差分析结果显示Monod方程可较好的描述不同温度条件下NO_2~--N浓度对NOB活性的影响。基于不同温度区间内温度系数(θ)的变化规律可知,当系统温度低于25℃或高于30℃时,NOB活性随温度的变化越敏感。基于16Sr RNA高通量测序技术探究3个不同温度(25℃、35℃、40℃)条件下活性污泥样品菌群结构的变化规律显示,物种丰富度和多样性的排序为:25℃35℃40℃。通过对属水平细菌群落结构分析可知,40℃不利于硝化螺菌属(Nitrospira)菌属的生长和繁殖。微生物的关联网络图显示SNiOR的大小与Nitrospir呈正相关,相关系数为0.95,且在NOB富集系统内Nitrospira是SNiOR大小的唯一影响因素。通过KEGG数据库对微生物代谢功能分析可知,在温度由35℃增加到40℃的过程中,系统碳水化合物代谢和能量代谢呈下降趋势。以nxrA、nxrB基因序列为引物,基于荧光定量PCR及功能基因测序技术,考察6个不同pH值(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5)对NOB活性及其Monod方程动力学参数的影响发现,当pH值介于6.0~7.0时,随着pH值的增加,NOB活性逐渐增加,当pH值介于7.0~8.5时,NOB活性随着pH值的增加逐渐降低。不同pH条件下Monod模型均可较好地描述基质底物浓度对NOB活性的影响。拟合结果显示,pH=7.0条件下r_(max)达到最大,为1.134gN·(gVSS·d)~(-1),表明在该pH条件下NOB活性最好。荧光定量PCR分析结果显示,不同pH值(6.0、7.5、8.0)条件下,nxrA基因拷贝数相对大小为:pH_(7.5)pH_(8.5)pH_(6.0),nxrB基因拷贝数相对大小为:pH_(7.5)pH_(6.0)pH_(8.5),表明酸性条件对nxrA基因活性影响更大,碱性条件对nxrB基因活性影响更大。基于基质抑制动力学判断FNA是否为NOB真正基质底物和抑制剂发现,不同pH值(6.5、7.0、8.0)条件下,采用Aiba模型拟合NOB活性是最优的。拟合结果显示,当pH=6.5时,NO_2~--N33.7 mg·L~(-1),FNA0.07 mg·L~(-1)时SNiOR降低,NOB开始被抑制。当pH=7.0时,NO_2~--N261.8 mg·L~(-1),FNA0.21 mg·L~(-1)时SNiOR降低,NOB开始被抑制。pH=8.0时,NO_2~--N995.7mg·L~(-1),FNA0.08 mg·L~(-1)时SNiOR降低,NOB开始被抑制。由于系统温度恒定为25℃,同时在消除pH值对NOB活性影响后发现,相比于NO_2~--N浓度对NOB活性的影响,FNA浓度对NOB产生了强烈的抑制作用,表明FNA为NOB的真正抑制剂。荧光定量PCR分析技术显示,NOB富集系统在低NO_2~--N浓度条件下,nxrA和nxrB基因均存在,在高NO_2~--N浓度条件下,nxrA基因大量积累,nxrB基因逐渐降低。此外,基于非基质抑制动力学研究FA对NOB的抑制类型发现,FA抑制NOB活性抑制类型符合非竞争性可逆抑制动力学。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

图 1.1 Nitrobacter SEM 图[18]Fig.1.1 Scanning electron microscopy (SEM) of Nitrobacter长时，菌体呈杆状或梨状，芽细胞明显。通过扫描电镜观察发现，表面上覆盖着 10nm 厚的的电子致密层。冰冻蚀刻或复染后，可粒成对的排列在膜的表面，该颗粒与亚硝酸氧化活性有关，如图 1长时，细胞主要通过出芽或裂殖的方式进行细胞繁殖；由于细胞生成大量的聚 β-羟基丁酸，使细胞发生变形，细胞内膜减少或消失，面及内膜上，无法观察到电子致密层和直径为 7~9nm 的颗粒。ococcus菌属（Nitroococcus）菌体形态呈球状，其 SEM 如图 1.2 所示。细。属于好氧细菌，生长温度介于 15~30℃之间，最适生长 pH 范围介于（a）（b）

图 1.3 Nitrospina 菌株相差显微照片（a）与投射电镜照片（b）[18]Fig.1.3 Differential micrographs (a) and projected electron microscopic photographs (b) of Nitrospina（4）Nitrospira硝化螺菌属（Nitrospira）菌体形态呈螺旋状，通常旋 1~20 圈（图 1.4）。细胞无内膜和羧酶体，属于革兰氏阴性菌，好氧生长。适宜生长温度范围为 20~30℃，适宜 pH值介于 7.6~8.0 之间，可以自养生长，同化 CO2，也可以混养生长，同化有机物。图 1.4 Nitrospira 菌株透射电镜照片[18]

无法同化有机物。图 1.3 Nitrospina 菌株相差显微照片（a）与投射电镜照片（b）[18].1.3 Differential micrographs (a) and projected electron microscopic photographs (b) of Nitrositrospira化螺菌属（Nitrospira）菌体形态呈螺旋状，通常旋 1~20 圈（图 1.4）。细胞酶体，属于革兰氏阴性菌，好氧生长。适宜生长温度范围为 20~30℃，适宜 7.6~8.0 之间，可以自养生长，同化 CO2，也可以混养生长，同化有机物。（b）

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本文编号：2758336