亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌富集培养优化及影响因素研究
发布时间：2020-06-17 18:48
【摘要】：微生物催化的亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)耦合了厌氧甲烷氧化过程和亚硝酸盐还原过程,可以同时消除甲烷和氮素的污染,是一种潜在的新型废水除碳脱氮工艺。然而,N-DAMO细菌代谢活性低(细胞比活性一般仅为0.1-0.3 fmol CH4·day-1·cell-1),生长非常缓慢(细胞倍增期一般需要数周甚至几个月),导致获得富集培养物非常困难,限制了机理研究和工程化应用。本论文通过添加第二液相强化甲烷气液传质效率、添加生长因子优化营养条件和去除溶解氧减轻环境胁迫,从传质条件、营养条件和环境条件三方面入手探究三种手段对N-DAMO细菌生长与活性的影响,优化N-DAMO的富集培养条件,加快N-DAMO的富集培养速度。主要研究结果如下:1.研究了石蜡油、表面活性剂C16TAB和SDS等第二液相对N-DAMO活性、细菌数量和群落结构的影响,优选了第二液相类型及其最适浓度。气液传质结果表明,添加石蜡油、C16TAB和SDS均能提高a值。在试验浓度范围内:石蜡油0.0-16.0%v/v、C16TAB 0.0-1.0 mmol L-1和SDS 0.0-1.0 mmol L-1,a值分别为0.8%-4.4%、0.8%-2.7%和0.8%-2.7%,分别增加了 1.6-4.3倍、1.2-2.3倍和0.4-2.2倍。短期活性试验结果表明,添加石蜡油可以促进N-DAMO活性,石蜡油最优浓度为12.0%v/v,此时亚硝酸盐转化速率和甲烷消耗速率分别可提高1.0和2.1倍。添加C16TAB和SDS不能促进N-DAMO活性。长期石蜡油优化培养验证试验表明,添加12.0%v/v石蜡油可以提高N-DAMO活性、增加N-DAMO菌的数量和相对丰度。长期试验后,石蜡油组亚硝酸盐还原速率和甲烷消耗速率分别提高了 1.0倍和2.6倍,分别是对照组(不添加石蜡油)的1.8倍和3.6倍;N-DAMO细菌数量增加了2.4倍,是对照组的1.4倍;NC10门细菌的相对丰度提高了2.3倍,是对照组的1.5倍。2.研究了复合维生素、碱基、血红素和甜菜碱等生长因子对N-DAMO活性、细菌数量和群落结构的影响,获得了最优生长因子组合。短期单因子试验结果表明,维生素对N-DAMO活性有促进作用,维生素最优浓度为15.0 μg L-1,此时亚硝酸盐还原速率和甲烷氧化速率是对照组的1.3倍;碱基对N-DAMO活性有促进作用,当碱基浓度为5.0 μg L-1时,N-DAMO活性已基本提升到平台期,亚硝酸盐还原速率和甲烷消耗速率分别是对照组的1.4倍和1.6倍;低浓度血红素对N-DMO活性有促进作用,但浓度持续增加会有抑制作用,血红素最优浓度为10.0 μg L-1,此时亚硝酸盐还原速率和甲烷氧化速率分别是对照组的1.2倍和1.9倍;甜菜碱对N-DAMO活性具有明显促进作用,当甜菜碱浓度由0.0 μg L-1增加至200.0 μg L-1时,亚硝酸盐还原速率和甲烷氧化速率分别提高了0.5倍和0.9倍,继续增加甜菜碱浓度两者能持续有促进效果,但促进幅度降低。根据单因子试验结果确定后续正交试验各因素浓度范围:复合维生素2.0-18.0μg L-1,血红素4.0-20.0 μg L-1,碱基0.5-4.5 μg L-1,甜菜碱40.0-200.0 μg L-1。长期正交试验结果表明,最优生长因子组合为2.0 μg L-1复合维生素、4.5μg L-1碱基、20.0μg L-1血红素和200.0 μg L-1甜菜碱,亚硝酸盐还原速率和甲烷消耗速率分别比对照组提高了 2.9和1.2倍。极差分析确定甜菜碱和碱基为主要的影响因子,结合单因子试验结果,综合考虑选择5.0 μg L-1碱基和200.0 μg L-1甜菜碱作为改良培养基的生长因子。改良培养基验证结果表明,添加甜菜碱和碱基确实可以提高N-DAMO活性。当反应器运行至第172天时,D组(甜菜碱+碱基)、C组(甜菜碱)和B组(碱基)的最终亚硝酸盐转化速率分别是初始亚硝酸盐转化速率的13.3、10.5和9.0倍,添加甜菜碱+碱基组的活性促进效果最优。根据改良培养基验证结果,将甜菜碱+碱基作为改良培养基应用于MGSLR反应器中。改良培养基应用结果表明,甜菜碱和碱基的添加促进了 N-DAMO活性,当反应器运行至第348天时,容积氮去除负荷由初始的12.3 mg N L-1 d-1增加到70.2 mgN L-1 d-1,提高了 4.7倍。改良培养基的应用也提高了N-DAMO细菌的数量和相对丰度,数量达到1.4×108copies mL-1(污泥混合液),增加了225.0倍;NC10门细菌的相对丰度占总菌的14.4%,提高了 143.0倍。改良培养基的应用也促进了 N-DAMO细菌致密聚合体(由初始的絮体形成大小为20-50 μm的颗粒)的形成,这有助于减少菌体流失,快速提升N-DAMO反应器性能。3.研究了溶解氧对N-DAMO活性、细菌数量、群落结构和N-DAMO功能基因组成的影响,提出了可行的环境调控策略。溶解氧对N-DAMO活性有抑制作用。在培养基未除氧阶段,反应器中容积氮去除负荷低于10.9 mg N L-1 d-1,亚硝酸盐去除率不到65.0%;当培养基除氧后,前者稳定在16.2 mgN L-1 d-1,后者基本维持在100.0%。溶解氧导致N-DAMO细菌数量和相对丰度降低。在未除氧阶段,随着反应器的运行,N-DAMO细菌数量由初始的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门细菌的相对丰度从初始的1 4.4%降低至0.3%,降低了 97.9%。在除氧阶段,N-DAMO细菌数量由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门细菌的相对丰度从0.3%提高至16.2%,提高了 53.0倍。溶解氧对甲烷氧化和亚硝酸盐还原功能基因丰度有影响。来自好氧甲烷氧化细菌的pmo基因丰度与来自NC10门细菌的pmo基因丰度的比值在除氧前后分别为2.0和0.7,去除溶解氧后反应器中来自NC10门细菌的pmo基因占主导地位。与培养基未除氧阶段相比,与N-DAMO细菌相关的甲烷氧化和亚硝酸盐还原功能基因丰度在培养基除氧阶段更高。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;X172
【图文】：
ｃＭ［３４］＃（Ｔａ／７＾＾Ｗｗｌｓ，Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｒａｂｉｌｉｓｌｉｍｎｅｔｉｃａ（Ｍ／／／７ｍｅ／／（：ａ）ｌ３：＞Ｉ0逡逑Ｎ－ＤＡＭＯ细菌是革兰氏阴性菌（ＧＯ邋，细胞直径和长度分别为０．２－０．５ｐｍ和逡逑０．８－ｌ．ｌ｜ａｍｌ２８ｌ。菌体呈特殊的多边形（星状）（图１－１），菌体具有维持特殊结构逡逑的细胞表面蛋白（Ｓ－ｌａｙｅｒｐｒｏｔｅｉｎ）［３６】。与其它已知的甲院氧化细菌细胞结构不同，逡逑该细菌不具备可结合颗粒状甲q业ゼ友趺福ǎ穑幔颍簦椋悖酰欤幔簦邋澹恚澹簦瑁幔睿邋澹恚铮睿铮铮纾澹睿幔螅澹义希穑停停希┑南赴誓谀ぃǎ椋睿簦颍幔悖簦铮穑欤幔螅恚椋沐澹恚澹恚猓颍幔睿澹螅荆常丁
本文编号：2718013
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;X172
【图文】：
ｃＭ［３４］＃（Ｔａ／７＾＾Ｗｗｌｓ，Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｒａｂｉｌｉｓｌｉｍｎｅｔｉｃａ（Ｍ／／／７ｍｅ／／（：ａ）ｌ３：＞Ｉ0逡逑Ｎ－ＤＡＭＯ细菌是革兰氏阴性菌（ＧＯ邋，细胞直径和长度分别为０．２－０．５ｐｍ和逡逑０．８－ｌ．ｌ｜ａｍｌ２８ｌ。菌体呈特殊的多边形（星状）（图１－１），菌体具有维持特殊结构逡逑的细胞表面蛋白（Ｓ－ｌａｙｅｒｐｒｏｔｅｉｎ）［３６】。与其它已知的甲院氧化细菌细胞结构不同，逡逑该细菌不具备可结合颗粒状甲q业ゼ友趺福ǎ穑幔颍簦椋悖酰欤幔簦邋澹恚澹簦瑁幔睿邋澹恚铮睿铮铮纾澹睿幔螅澹义希穑停停希┑南赴誓谀ぃǎ椋睿簦颍幔悖簦铮穑欤幔螅恚椋沐澹恚澹恚猓颍幔睿澹螅荆常丁
本文编号：2718013
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