高盐含酚废水生物处理及微生物群落结构研究

发布时间：2020-04-29 05:43

【摘要】： 含酚废水来源广泛、成分复杂,如焦化废水、医药废水、化工及印染废水等,这些废水中既含有高浓度的酚类化合物,又含有大量的盐份(Cl~-、Na~+、Ca~(2+)等),会对微生物的生长产生抑制作用,从而增加生物处理的难度,成为现阶段国内外含酚废水处理技术领域亟待解决的一个难题。为了解决含酚废水中高盐含量对传统生物处理系统的抑制问题,本文以模拟含酚废水为基质,构建既能耐受高盐度、又能高效降解酚类化合物的生物处理体系,并在不同条件下对其降解特性进行详细的分析,同时利用RISA指纹、AFDRA功能基因分析、16S rDNA测序、FISH以及实时荧光定量PCR等分子生物技术对生物处理体系的群落结构进行解析,阐明宏观功能变化与微观结构之间的内在联系,为高盐含酚废水的生物处理提供一定的理论依据和技术支持。高盐条件下,构建的活性污泥体系能够处理不同组分的含酚废水,其中邻苯二酚和水杨酸存在时对活性污泥体系的总酚去除速率影响较小,而对甲基酚存在时总酚去除速率明显降低。盐度和pH冲击对活性污泥体系降解性能影响较大,盐度在50g/L NaCl以下时去除速率随盐度的增加而增加,但盐度达100 g/L NaCl以上时,去除速率明显下降。进水pH 7.0～9.0范围内活性污泥去除速率比较稳定。同时利用RISA(核糖体基因间隔序列分析)指纹技术,并借助16S rDNA序列分析对活性污泥体系进行群落动态解析,进而揭示系统微观结构与宏观功能之间的内在联系。结果表明,苯酚单独作为基质时,活性污泥体系的微生物群落多样性明显增加,而混合酚作为基质时,系统微生物群落多样性变化较小。盐度冲击过程中活性污泥体系微生物群落结构发生了剧烈的变化,而pH冲击过程中系统微生物群落结构比较稳定。遗传分析表明,盐度冲击过程中盐单胞菌属Halomonas和海洋杆菌属Marinobacter菌株代谢旺盛,说明这两类菌属菌株具有较强的耐盐能力;而pH和底物浓度冲击使海洋杆菌属Marinobacter和粪产碱菌属Alcaligenes faecalis菌株在处理系统中大量生长,逐渐成为优势菌株。在进化分析中还发现一少部分序列归属于希瓦氏菌属Shewanella和节杆菌属Arthrobacter等。本实验还采用扩增功能DNA限制性分析(AFDRA)的方法对不同条件下活性污泥体系苯酚羟化酶基因的变化进行了分析,与RISA指纹分析相互补充,在基因水平上揭示了活性污泥体系微生物群落结构和功能的变化。研究结果表明,活性污泥体系中降酚菌群的苯酚羟化酶功能基因的多样性因处理系统的底物种类、底物浓度、盐度和pH而有明显差异。苯酚羟化酶基因的变化可以反映生物系统内微生物群落的动态变化,而微生物群落的组成又会直接影响功能基因的多样性。从活性污泥中分离到三株耐盐苯酚降解菌,经形态观察、生理生化分析以及16SrDNA或26S rDNA分析分别鉴定为Arthrobacter sp.W1、Rodococcus sp.W2和Candidasp.W3,其序列的GenBank登陆序列号分别为EU339930、EU339931和EU349016。考察了3株菌的生长及降解酚类化合物的基本特性,为耐盐酚类降解复合菌体系的构建奠定了基础。3株菌均能在温度20～30℃、pH 5.0～9.0和盐度10～100 g/L NaCl范围内以苯酚为唯一碳源进行生长,能够利用苯甲酸、水杨酸、对甲基酚、氨基酚、对苯二酚等多种芳香化合物。高盐条件下,3株菌能够在细胞内积累相容性物质(主要是四氢嘧啶和甜菜碱)抵御外界高盐环境,并且相容性物质的含量随盐度升高而增加,在培养基中外加相容性物质能够促进菌株的生长,并且增强菌株的耐盐能力。通过正交实验确定菌株W1、W2和W3以1:1:2比例混合构建高效的耐盐酚类降解复合菌群,该复合菌与3株单菌相比,对环境的适应能力更强,能在温度10～40℃、pH4.0～12.0和盐度10～150 g/L NaCl范围内以苯酚为唯一碳源进行生长,在最佳降解条件下140 h即可完全降解2000 mg/L苯酚,降解酚类化合物范围更广。模拟SBR工艺对不同条件下复合菌群处理高盐混合酚废水进行了研究,结果表明,在3个月运行期内,复合菌群处理效果稳定,能够耐受一定范围的盐度(10～150 g/L NaCl)、pH(5.0～12.0)和底物浓度(200～1500 mg/L)的冲击。与活性污泥体系相比,复合菌体系抗冲击能力更强,去除速率更高。采用荧光原位杂交技术(HSH)对复合菌群内W1、W2和W3菌株的变化进行分析,结果表明,复合菌群中的W1菌株具有较强的抗盐度和底物浓度冲击的能力,而3株菌对pH冲击均有较好的耐受性。进一步采用实时荧光定量PCR技术对复合菌群中的优势菌株W1进行定量分析,结果表明,NaCl浓度由10 g/L增加到100 g/LNaCl时,细胞数量由1.16×10~(13)增加到5.71×10×~(13)细胞/每克干重;底物浓度冲击过程中细胞数量变化与盐度冲击过程细胞数量呈现相同的变化趋势,细胞数量在1.47×10~(13)和5.53×10~(13)细胞/每克干重之间变化;而在pH冲击条件下,整个过程中细胞数量基本保持在一个稳定水平。由此推断,W1菌株可能是复合菌群处理高盐混合酚废水的重要的功能菌,在环境条件波动时稳定存在,并且保持较高的代谢活性。
【图文】：

扩增曲线,实时荧光定量PCR,荧光强度,反应产物

反应产物不断累计，荧光信号强度也等比例增加。每经过一个循环，收集一个荧光强度信号，这样我们就可以通过荧光强度变化监测产物量的变化，，从而得到一条荧光扩增曲线图(如图1.3)。

指纹图谱,含酚废水,活性污泥,体系

(l)活性污泥体系处理不同含酚废水过程中微生物群落的动态变化本实验采用RIS指纹方法对不同底物条件下微生物系统群落动态进行解析。PFS代表活性污泥处理苯酚的系统，PCFS代表活性污泥处理苯酚和对甲酚的系统。如图2.8所示，PFS系统与PCFS系统的指纹图谱明显不同，表明不同酚类化合物的存在对系统微生物的群落结构有很大的影响。在PFS系统中，样品 PFS一13与系统内其它样品明显不同，但是样品PFs一35与样品PFs一55相似性高达90%(图2.10(b)所示)。说明苯酚的加入使得系统
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703

【相似文献】