高盐度和常温下Anammox工艺微生物特性研究

发布时间：2017-08-27 03:28

  本文关键词：高盐度和常温下Anammox工艺微生物特性研究

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【摘要】：厌氧氨氧化工艺具有污泥产量低、耗能低、无需外加碳源等优点,是一种应用价值极高的生物脱氮技术。高盐度会提高溶液渗透压,可能会杀死微生物或者导致微生物细胞脱水引起细胞质壁分离和休眠。温度主要影响生化反应酶的活性。诸多研究多集中于盐度对厌氧氨氧化反应器性能、厌氧氨氧化活性、脱氮效率等方面,这些研究证实了厌氧氨氧化微生物经过驯化能够适应高盐环境。本课题主要研究了提升盐度下厌氧氨氧化反应器脱氮性能、厌氧氨氧化菌的数量变化情况,同时采用高通量测序技术研究不同盐度下厌氧氨氧化反应器中的厌氧氨氧化菌和伴生菌微生物群落结构,此外,还研究常温下厌氧氨氧化反应器的运行性能及微生物群落结构。主要结论如下:(1)将厌氧氨氧化反应器R1的配水盐度由18g/L分别提升至23g/L和28g/L,研究了盐度提升对厌氧氨氧化反应器R1脱氮性能的影响。结果表明,在盐度提升过程中厌氧氨氧化菌经历了适应期和稳定期两个阶段,两次盐度提升对厌氧氨氧化菌影响均不大,厌氧氨氧化菌的适应期仅为4d左右,表明反应器R1中厌氧氨氧化菌对盐度的适应性较强。体式显微镜结果显示,反应器R1中厌氧氨氧化颗粒污泥均呈砖红色,表面凹凸不平,有许多隆起和内陷,形状不规则,以长条形居多。扫描电镜结果显示,反应器R1中厌氧氨氧化颗粒污泥表面含有大量球菌、杆菌和丝状菌,厌氧氨氧化颗粒污泥内部存在大量孔洞。荧光定量PCR结果表明,在盐度从18g/L提高到23g/L和28g/L时,反应器R1中的厌氧氨氧化菌数量呈现上升的趋势,28g/L盐度下厌氧氨氧化菌16S rRNA基因拷贝数为3.7×108copies/(mg-dry sludge),对比其他文献,反应器R1中厌氧氨氧化菌维持在较高数量,故反应器R1仍维持较高的脱氮效率。(2)将厌氧氨氧化反应器R1的配水盐度由18g/L分别提升至23g/L和28g/L,研究了盐度提升对厌氧氨氧化反应器R1微生物群落的影响。微生物种群多样性由高到低依次为:18g/L盐度污泥样品23g/L盐度污泥样品28g/L盐度污泥样品。不同盐度共有OTU的数目占总OTU数目的67.4%,独有OTU数目较少,不同盐度运行条件下Anammox反应器中微生物种类差异较小,但Heatmap图表征的微生物种类含量差异较大。不同盐度下厌氧氨氧化颗粒污泥样品中的优势门种均为Planctomycetes、Proteobateria、Chloroflexi,三者的丰度约占88%~94%的水平,在数量上占据绝对优势,与已有文献报道是一致的。不同盐度样品中具有厌氧氨氧化活性的属均为Brocadiaceae_unclassied属和Candidatus_Kuenenia属,二者在18g/L、23g/L、28g/L盐度下的丰度分别是24.6%、56.7%、61.2%和17.7%、2.3%和3.1%。随着盐度的提高,Brocadiaceae_unclassied菌的丰度逐渐升高,而Candidatus_Kuenenia菌的丰度在盐度为23g/L时骤降。在盐度提升过程中,厌氧氨氧化菌群结构逐渐由原来的Brocadiaceae_unclassied菌和Candidatus Kuenenia菌共存转变为Brocadiaceae_unclassied菌占据优势。这表明厌氧氨氧化菌菌属之间存在竞争关系,而高盐度更有利于Brocadiaceae_unclassied菌的富集。(3)对厌氧氨氧化反应器R2在不同温度下的脱氮性能进行分析,结果表明,当反应器R2从33℃降低到19℃,降温对反应器R2脱氮性能没有表现出明显的抑制作用,在19℃条件下将氨氮和亚硝氮浓度分别从100mg/L提升至200mg/L,反应器氨氮去除率、亚硝氮去除率、总氮去除率有少许下降,分别维持在80%、85%、80%左右。在温度为19℃左右,进水总氮去除负荷高达1.36kg·m-3·d-1时,反应器R2仍具有良好的脱氮性能。Planctomycetes、Proteobateria、Chloroflexi是优势菌门,三者的丰度占微生物种群的82.44%的水平,反应器R2中的功能菌是Candidatus_Kuenenia,可适应常温(19℃)条件,并在此温度下维持较高的生物脱氮活性。
【关键词】：厌氨氧氧化 盐度 温度 微生物 微生物群落结构
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 厌氧氨氧化菌10-12
• 1.1.1 厌氧氨氧化菌的发现10
• 1.1.2 厌氧氨氧化菌的分类和分布10-11
• 1.1.3 厌氧氨氧化菌的细胞结构11
• 1.1.4 厌氧氨氧化反应机理11-12
• 1.2 厌氧氨氧化工艺的影响因素12-15
• 1.2.1 底物浓度12-13
• 1.2.2 温度13
• 1.2.3 PH13-14
• 1.2.4 溶解氧14
• 1.2.5 盐度14-15
• 1.3 分子生物学在厌氧氨氧化研究中的应用15-18
• 1.3.1 实时荧光定量PCR15
• 1.3.2 荧光原位杂交15-16
• 1.3.3 变性梯度凝胶电泳16-17
• 1.3.4 高通量测序技术17-18
• 1.4 研究目的与内容18-20
• 1.4.1 研究背景18
• 1.4.2 研究目的与研究内容18-19
• 1.4.3 技术路线19-20
• 2 盐度提升对Anammox反应器脱氮性能及功能菌的影响研究20-34
• 2.1 材料与方法20-24
• 2.1.1 实验装置及运行参数20-21
• 2.1.2 常规测试项目与方法21
• 2.1.3 厌氧氨氧化颗粒污泥样品懫集和DNA的提取21-22
• 2.1.4 克隆文库的构建22-23
• 2.1.5 荧光定量PCR23-24
• 2.2 结果与讨论24-32
• 2.2.1 盐度提升对Anammox反应器脱氮性能的影响24-27
• 2.2.2 Anammox颗粒污泥的形体特征和表面特性27-29
• 2.2.3 盐度提升下厌氧氨氧化菌的定量分析29-32
• 2.3 本章小结32-34
• 3 盐度提升下Anammox反应器中微生物群落组成结构34-48
• 3.1 材料和方法34-35
• 3.2 微生物多样性分析35-41
• 3.2.1 稀释性曲线分析36-37
• 3.2.2 群落丰富度以及多样性指数37-38
• 3.2.3 微生物群落结构分析38-41
• 3.3 不同盐度下微生物种类的鉴定和分析41-47
• 3.3.1 门水平的群落结构分析41-43
• 3.3.2 纲水平的群落结构分析43-45
• 3.3.3 属水平的群落结构分析45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 常温下Anammox反应器运行性能及微生物群落结构研究48-62
• 4.1 材料与方法48-50
• 4.1.1 实验装置及运行参数48-49
• 4.1.2 常规测试项目与方法49-50
• 4.1.3 MiSeq高通量测序分析50
• 4.2 结果与讨论50-60
• 4.2.1 运行期间Anammox反应器脱氮性能分析50-54
• 4.2.2 反应器污泥粒径分析54-55
• 4.2.3 常温下Anammox反应器中微生物群落结构分析55-60
• 4.3 本章小结60-62
• 5 结论与建议62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 建议63-64
• 致谢64-66
• 参考文献66-76

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本文编号：744171