高温高盐石油采出水中石油烃的生物降解及嗜油功能微生物特性研究

发布时间：2020-07-23 04:30

【摘要】：微生物在全球石油烃类污染物的降解过程中起着非常重要的作用。对于油田富含石油烃的石油采出水(OPW),生物技术被认为是一种绿色环保,且具有广阔应用前景的治理技术。OPW往往具有高温、高盐及难降解等特点。然而,在现有相关生物技术研究中,无论是生化工艺、菌群或单一菌株,反应条件均以室温为主,而在实际OPW高温条件下(≥45℃)的生物技术研究鲜有报告,这直接限制了培养高温耐盐嗜油微生物降解OPW的生化技术在油田领域的推广和应用。因此,研究高温条件下生化工艺运行情况、菌群分布特征及高效嗜油菌株性能和机理是非常重要且必要的。首先,本研究以华北油田和辽河油田两个采用培养高温耐盐嗜油微生物直接处理OPW的污水处理厂为研究对象,系统分析了它们的水质特征、各工艺单元污染物降解性能及菌群分布特征。相比于华北油田污水处理厂采用的O1/O2活性污泥法,辽河油田采用的An/O1/O2生物膜法对OPW中的污染物去除性能更优。结合两厂各工艺段常规指标变化、气相色谱-质谱(GC-MS)分析、高通量测序及菌群多样性分析等手段,本研究从各工艺段的作用、各功能区菌群分布特征及石油烃降解机理等角度揭示了不同污水处理厂石油降解性能差异产生的机理,并通过基于距离的冗余分析(db-RDA)初步研究了不同工艺段的温度、DO、Cl-及石油烃组分与微生物菌群分布之间的相关性。其次,为了准确探究单一环境因子对菌群的影响,本研究开展了不同运行工况及碳源下,菌群的演变试验研究。通过菌群分布、占比前五属水平微生物变化追踪、db-RDA分析、Spearman相关性热图、系统发生进化树及16S功能预测等分析,研究了环境因子影响菌群分布及功能的机制。试验结果表明,不同培养条件及碳源对各组微生物菌群的数量(OD600、MLSS)、性状指标(SV30、SVI、CSH、EPS)、性能指标(酶活性及酶分布、TPH或COD去除、石油烃降解)、菌群分布及同源蛋白簇(COG)代谢功能均会造成不同程度的影响;各环境因子对菌群的分布影响程度为:Cl-温度≈芳香烃DOBFC烷烃H2O2,其中,Cl-和菌属之间表现出较为平均的正负相关性,温度与大多数菌属为负相关,而碳源(烷烃或芳香烃)、DO、H2O2及BFC和大多数菌属为正相关。再次,从两个高温高盐油田环境中筛选出三株可在45℃下利用OPW中石油烃作为碳源的革兰氏阳性菌株:微小杆菌HPB-1、栗褐芽孢杆菌HPB-2和类芽孢杆菌HPB-3,并分析对比了它们的生理生化指标、耐温耐盐性、细胞表面亲疏水性、石油烃吸附及降解性能。研究表明,具有不同菌落及单一细胞形态的三株菌株对两个油田OPW中的石油烃均具有较好的降解效果。相比较而言,本土菌株可更好地吸附和降解对应OPW中的石油烃。各菌株细胞生长速度、表面活性剂产量及乳化性、酶活性与石油烃的去除率之间明显正相关,且为:HPB-2HPB-3 HPB-1。和表面活性剂及胞内酶在降解过程中的作用相比,微生物本身在TPH降解过程中起主导作用。混合菌株(HPB-2和HPB-3)具有协同效应,TPH去除率较各单一菌株提高了6.5%-43.8%。最后,通过全基因扫描图测序分析了三株菌株的全编码基因组成,并将各菌株所有编码基因分别在NR、Swiss-Prot及KEGG数据库中进行检索比对,从基因的角度解释了:(1)三株菌株均对富含烷烃类物质的华北油田OPW具有较好的降解效果;(2)处理富含芳香烃的辽河油田实际OPW时降解效果HPB-2HPB-3 HPB-1及(3)它们均可适应高温高盐OPW环境。在三株菌株全基因测序及石油烃代谢相关编码基因检索的基础上,结合它们对石油采出水中石油烃降解的GC-MS分析结果及它们关键酶活性和分布分析结果,建立了一种可能的高温高盐石油采出水中,嗜油菌石油烃降解-关键酶-编码基因模型,阐明了编码基因控制关键酶产生,并将其进行胞内、周质转移或释放至胞外位置,作用于石油烃及其代谢中间产物的机制。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X172;X741
【图文】：

华北油田,辽河油田,现场图,工艺流程图

２．１．１试验平台逡逑（１）现场试验平台逡逑华北油田楚一联石油采出水污水处理厂（图２．１ａ，邋３８．１７３１２５邋Ｎ，１１５．８５０８２３邋Ｅ，逡逑以下简称：华北油田污水处理厂）及辽河油田欢三联石油采出水污水处理厂（图逡逑２．１ｂ，４１．２０６７３５邋Ｎ，１２１．８９８９３９邋Ｅ，以下简称：辽河油田污水处理厂）是国内较早逡逑采用驯化高温耐盐嗜油微生物直接处理各自ＯＰＷ的两个污水处理厂。其中，华北逡逑油田污水处理厂采用两级好氧（Ｏｉ／０２）活性污泥法，处理流量为３０００邋ｍＶｄ，水力逡逑停留时间１６邋ｈ邋（０１：邋８邋ｈ；邋０２：邋８邋ｈ）。辽河油田污水处理厂采用厌氧＋两级好氧逡逑（Ａｎ／0ｉ／0２）生物膜法，处理规模５０００邋ｍ３／ｄ，水力停留时间２２邋ｈ邋（Ａｎ：邋６邋ｈ；邋Ｏｉ：邋８邋ｈ；逡逑？２：邋８邋ｈ）。两个污水处理厂均己稳定运行两年以上。在实际运行过程中，华北油田逡逑污水处理厂不添加任何化学药剂，辽河油田污水处理厂由于进水较低的总磷（ＴＰ）逡逑浓度和ｐＨ值（ＴＰ＝１．８－２．７；邋ｐＨ＝６．４－６．８），因此在整厂进水端，通过投加磷酸氢二逡逑钾（Ｋ２ＨＰ0４）的方式将ＴＰ浓度调至６．５±０．５邋ｍｇ邋Ｌ－Ｓ并在Ｏｉ进水端

功能区,厌氧,微生物菌群,样本

从两个污水处理厂各工艺段的进水口和出水口分别收集充足的污水样本，行后续指标测试前，用０．４５邋ｐｍ滤纸进行过滤处理，以去除水体中的悬浮若干无菌１邋Ｌ玻璃瓶分别收集华北油田污水处理厂各功能区的活性污泥油田污水处理厂各功能区的生物膜。为了保证收集的微生物样本具有代表别从各功能区的前、中、后端各取三个样本进行混合，最终获得的每个样少于５００邋ｍＬ。污水和微生物样本从现场运回实验室过程中（＜８邋ｈ）放置的桶中，运输至实验室后４°Ｃ低温保存待用。逡逑（２）实验室试验平台逡逑实验室试验平台由三部分组成，如图２．２所示：图２．２ａ为前期市政接种常温下大量驯化培养及相关试验反应装置；图２．２ｂ为可控恒温条件下厌氧置，该装置完成了微生物菌群在４５°Ｃ下厌氧驯化及反应试验，厌氧组反应１Ｌ广口瓶，瓶口含排气瓶塞，配搅拌器一台，首次接种市政污泥５００邋ｍＬ每次更换辽河油田原水体积５００邋ｍＬ；图２．２ｃ为可控恒温多组摇瓶试验装完成不同运行条件及碳源下，微生物菌群驯化培养及降解性能试验，以株的筛选、放大培养及降解性能试验。逡逑

框架图,试验设计,第三,框架

有冰的桶中，运输至实验室后４°Ｃ低温保存待用。逡逑（２）实验室试验平台逡逑实验室试验平台由三部分组成，如图２．２所示：图２．２ａ为前期市政接种污泥逡逑在常温下大量驯化培养及相关试验反应装置；图２．２ｂ为可控恒温条件下厌氧反应逡逑装置，该装置完成了微生物菌群在４５°Ｃ下厌氧驯化及反应试验，厌氧组反应容器逡逑采用１Ｌ广口瓶，瓶口含排气瓶塞，配搅拌器一台，首次接种市政污泥５００邋ｍＬ，逡逑之后每次更换辽河油田原水体积５００邋ｍＬ；图２．２ｃ为可控恒温多组摇瓶试验装置，逡逑主要完成不同运行条件及碳源下，微生物菌群驯化培养及降解性能试验，以及单逡逑一菌株的筛选、放大培养及降解性能试验。逡逑Ｌ邋１逡逑图２．２小试试验装置逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｂｅｎｃｈ－ｓｃａｌｅ邋ａｐｐａｒａｔｕｓ．逡逑２．１．２试验材料逡逑（１）试验用水逡逑试验用水分为华北油田和辽河油田现场实际ＯＰＷ和自配水两种。不同碳源试逡逑１２逡逑

【参考文献】