厌氧氨氧化菌胞外聚合物吸附氨氮和亚硝态氮动力学研究

发布时间：2020-05-25 23:29

【摘要】：厌氧氨氧化反应作为同时处理氨氮和亚硝态氮的反应,在水处理方面有着很大的优势,厌氧氨氧化菌则是厌氧氨氧化反应正常发生的保障。厌氧氨氧化菌分泌的胞外聚合物(EPS)对反应和细菌生长有什么作用,目前尚未有明确的结论。本论文旨在研究厌氧氨氧化菌EPS对底物的吸附和底物解吸作用,为理解EPS对厌氧氨氧化菌生长的作用方面提供一定帮助。主要研究成果包括:第一,根据透析原理,建立EPS吸附底物模型,利用模型对EPS对氨氮和亚硝态氮的吸附量进行计算。检测多种底物浓度的氨氮与亚硝态氮的透析曲线,计算固定底物浓度的透析常数k值,分别为k~+_(NH4)=0.16157、k~-_(NO2)=0.08154。后续EPS相关吸附实验的混合液均为高浓度氨氮溶液和亚硝态氮进行稀释,与EPS溶液的混合溶液。结合对EPS的傅里叶变换红外光谱(FTIR)的基团检测与蛋白组学的分析结果,EPS蛋白质呈现正电性。蛋白组学检测EPS中的蛋白质不仅在细胞内部存在,也在细胞外部存在。第二,吸附等温实验表明EPS对氨氮与亚硝态氮的最佳吸附量与吸附机理有明显差别。正交实验各因素之间未发生交互作用,实验设置的温度变化不会对EPS吸附氨氮或者亚硝态氮的结果产生影响。被EPS吸附的亚硝态氮含量,平均是被吸附的氨氮含量的7.5倍。Freundlich模型可以用来描述EPS蛋白质对亚硝态氮的吸附,但其假设的多吸附位点不完全适合对氨氮吸附的机理进行描述;Langmuir模型拟合EPS对氨氮的最大吸附浓度与实验测量值相差较大,但很好的拟合了EPS对亚硝态氮的吸附作用,拟合的最大吸附浓度比较高。因为EPS蛋白质的带正电性,决定了EPS对氨氮和亚硝态氮的吸附机理不同。探究EPS全部物质如何对底物的吸附是比较难实现的,提出EPS中某物质的可吸附氨氮或者亚硝态氮的吸附位点浓度,占EPS该类物质的各吸附基团与各吸附结构位点浓度总量的比率K_a的理论表达式。第三,吸附氨氮和亚硝态氮的EPS解吸呈现不同的规律。建立EPS解吸计算模型,对吸附底物的EPS进行解吸实验研究。EPS所吸附的氨氮基本可以全部解吸;亚硝态氮浓度较低时,EPS所吸附的亚硝态氮基本能全部解吸,当亚硝态氮浓度较高时,约有一半的亚硝态氮以更加稳定的电性作用方式与EPS相结合,较难解吸。计算EPS吸附与解吸的反应平衡常数,表明尽管氨氮和亚硝态氮的吸附机理不同,但EPS对氨氮和亚硝态氮均趋向于吸附;利用单位EPS对底物保存量p,以公式形式,对EPS对底物的吸附量、解吸量和EPS的加入量进行描述,表明添加EPS含量越高,保留在EPS层中的底物越多;利用物质扩散模型,对底物在EPS中的分配计算进行描述,以及推出EPS对底物的多种作用方式的计算公式。底物在EPS层中受到结构吸附与解吸,电性吸附与解吸的作用,底物透过EPS迁移到细菌菌体就是底物在EPS中的传质过程。第四,通过对厌氧氨氧化菌EPS对氨氮和亚硝态氮的吸附和解吸作用进行研究,结合EPS对双底物的吸附机理与吸附量,揭示了自然环境中,具有EPS的厌氧氨氧化菌对底物产生的双重作用机理,分别为对氨氮的隔离作用和对亚硝态氮的富集作用。这种双重作用为厌氧氨氧化菌在自然界广泛分布提供了保障。
【图文】：

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氧化反应是自然界氮素循环的重要反应之一，据报道，释放到的氮，是由长期以来被认为不可能的厌氧氨氧化反应产生的[1]，统称为厌氧氨氧化菌，作为氮素循环的参与者，其分布非常污水处理系统[3,4]、未受人类影响的自然界水体、城市径流、湖，都有相关报道[5-8]。也在这些区域，发现了分属各不同科属的,10]。目前厌氧氨氧化菌已经发现6个属至少27个种[11-13,29]，见表物分类学研究，厌氧氨氧化菌为浮霉菌门(Planctomycetes)的成厌氧氨氧化菌为厌氧化能自养型微生物，以二氧化碳为唯一碳与NO2-为底物；对氧敏感，，只能在氧分压低于5%氧饱和浓度条范围为6.7-8.3；为革兰氏阴性细菌；自然条件下的细菌增长率非h，倍增时间为10.6d[27]；经过一定的培养，倍增周期可以缩短[14，富集培养物为红色或者深红色；能分泌胞外聚合物，容易形有特殊细胞器：厌氧氨氧化体。另外，有人认为厌氧氨氧化细阴性菌也不属于革兰氏阳性菌[15]。

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1 绪论NO，以NO为氧化剂，接受2个[H]同时将氨氮氧化为N2H4，然后N作用生成N2和4[H]。在这个模型中，亚硝酸盐作为NO的前体并且]与1个电子的受体，同时在其氧化为硝酸盐的过程中提供能量。厌可分为3个步骤进行：反应1：NO2-+2 H++e-→NO+H2O反应2：NO+NH4++2 H++3 e-→N2H2+H2O反应3：N2H2→N2+4 H++4 e-
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【参考文献】