高效三氯乙烯厌氧微生物降解菌群构建与分子生物学诊断

发布时间：2020-08-17 19:59

【摘要】：城市工业化的快速发展,人类活动的加剧,导致地下水受三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)污染的态势日益严重。鉴于地下水中TCE污染的广泛性,TCE污染治理已成为国内外研究人员广泛关注的问题。生物修复技术具有效率高、成本低、完全降解和无二次污染等优点,成为研究人员关注的TCE污染治理的新技术。由于上流式厌氧污泥床反应器(upflow anaerobic sludge blanket reactor. UASB反应器)中具有高浓度的微生物和微生物多样性,因此,与其它的厌氧反应器相比,UASB反应器在难降解有机废水处理领域更有优势,高浓度的微生物能够快速地将污染物转化降解。但是,TCE在UASB反应器中的生物降解方面的研究国内外罕有报道,以及TCE在厌氧反应器中代谢机理尚不明确。本研究在阅读大量国内外相关文献后,针对以上问题,提出以UASB反应器为基础,在其中构建TCE高效降解菌群。展开TCE对厌氧颗粒污泥的产甲烷毒性影响以及颗粒污泥产甲烷活性恢复情况；通过培养和驯化的手段,基于UASB反应器构建TCE厌氧降解菌群,探讨TCE在UASB反应器中的代谢机理；探索运行参数对TCE降解效果的影响,利用高通量测序技术,解析菌群降解TCE过程中各运行参数的变化对厌氧微生物类群的多样性以及结构、功能的影响；并对UASB反应器的运行参数进行优化。论文所得的主要结论如下：(1)虽然TCE抑制甲烷菌的活性,并且抑制作用随浓度增加而增强：但是,甲烷菌可以逐渐适应TCE的抑制作用,TCE的浓度越大,甲烷菌需要的适应时间就越长：TCE对甲烷菌的抑制作用较强,TCE浓度为10-15mg/L时,属于中度抑制：TCE浓度高于20mg/L时,属于重度抑制。当TCE浓度为5-15mg/L时,厌氧颗粒污泥产甲烷活性得到恢复,而浓度大于20mg/L时,产甲烷活性并未恢复。(2)通过培养和驯化手段,在UASB反应器中成功获得TCE厌氧降解菌群,以葡萄糖和乳酸为碳源,TCE处理浓度为14.6-73mg/L时,TCE降解率在85%-90%,TCE的降解产物为顺式-二氯乙烯(cis-dichloroethylene, cis-DCE)、氯乙烯(vinyl chloride, VC)和乙烯(ethene).通过454高通量测序技术分析TCE厌氧降解菌群的群落结构。菌群中存在Petrimonas、Clostridium、Enterobacter和Lactococcus等多种发酵产酸菌和能将TCE降解为cis-DCE的厌氧脱氯菌Dehalobacter和Geobacter,以及嗜乙酸甲烷菌(Methanosaeta)(99.54%),而其他类型的古细菌所占比例很小,不到总序列数的0.5%。推测菌群在UASB反应器中代谢TCE的机理为：多种发酵产酸菌(例如：Petrimonas、 Acetanaerobacterium、Syntrophobacter、Trichococcus、Clostridium、Enterobacter和Lactococcus)发酵葡萄糖和乳酸成乙酸,并产生H2:Dehalobacter和Geobacter利用H2为电子供体,TCE为电子受体,降解TCE,生成cis-DCE、VC和少量ethene; Desulfovibrio和Syntrophobacter维持厌氧环境和为厌氧脱氯菌群中的微生物提供必要的营养物质：Methanosaeta利用发酵葡萄糖和乳酸产生的乙酸进行产甲烷作用。(3)在温度为30℃C,进水pH值为7.0±0.1,TCE浓度为36.5mg/L,进水COD为3100mg/L的条件下,水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)由25h缩短至5h,TCE的处理负荷由35.04mg/L/d增加到175.2mg/L/d,结果表明：TCE在25h时降解率最大,为99.10%,而在5h时最低,为83.99%；随着HRT的缩短,TCE处理负荷随之升高,且HRT的缩短导致进水速度过快,使得菌群与TCE接触的几率减小,导致TCE不能够及时被完全降解,TCE降解率下降。利用Illumima Miseq高通量测序,在不同HRT条件下,在细菌群落中均检测到Dehalococcoidia的存在,能将TCE彻底降解为ethene的Dehalococcoides sp均属于Dehalococcoidia. Lactococcus和Petrimonas在不同HRT条件下均占主导地位,厌氧脱氯菌Geobacter和Dehalobacter的相对丰度随着HRT的缩短而降低。冗余分析(redundancy analysis. RDA)表明：Lactococcus与TCE的去除率为负相关,而Clostridium, Desulfovibrio, Eubacterium, Petrimonas, Syntrophobacter, Thermanaerovibrio与TCE的去除率正相关。(4)在温度30℃C,为HRT为15h, TCE浓度为36.5mg/L,进水COD为3100mg/L的条件下,进水pH值由6.0逐步提升(6.5,7.0)至7.5时,菌群的活性逐渐增强,TCE降解率随之提高。TCE降解率在进水pH值7.0下最大,为96.76%,而在6.0时最低,为79.33%；而且,pH值小于7.0时TCE的降解率明显小于pH值大于7.0时TCE的降解率,说明pH值小于7.0的偏酸环境对菌群的活性影响较大。在不同pH条件下,在细菌群落中均未检测到Dehalococcoidia的存在。由于Lactococcus和Petrimonas为发酵产酸菌,因此它们在不同pH条件下均占主导地位,厌氧脱氯菌Geobacter和Dehalobacter的相对丰度随着pH的提升而增加。而在pH为6.0时,未检测到Dehalobacter的存在,并且Geobacter丰度较低(0.81%),这可能是TCE的降解率在pH为6.0时最低的原因。RDA分析表明：Lactococcus与TCE的去除率为负相关,而Propionicicella, Petrimonas, Syntrophobacter和Thermanaerovibrio与TCE的去除率正相关。(5)在HRT为15h,TCE浓度为36.5mg/L,进水COD为3100mg/L,进水pH值为7.0±0.1的条件下运行,温度由20℃逐步提升(25℃,30℃)至35。C时,TCE降解率随之提高,TCE降解率在30℃C下最大为97.89%；而温度提升到400C时,菌群的活性受到抑制,TCE降解率只有77.90%,温度的升高使得菌群中可以适应温度改变的类群逐渐成为优势种,进而提高了对TCE的降解效能,过高的温度,菌群的活性下降,使菌群对TCE的降解效能下降。温度为25。C--40℃C时,在细菌群落中检测到Dehalococcoidia的存在。温度为200C-300C时,厌氧脱氯菌Geobacter和Dehalobacter的相对丰度随着温度的提升而增加：在400C时,未检测到Dehalobacter的存在,并且Geobacter丰度较低(1.76%),这可能是TCE的降解率在400C最低的原因。RDA分析表明：Lactococcus, Syntrophobacter, Desulfovibrio, Petrimonas, Clostridium和Blvii28 wastewater-sludge group与TCE的去除率为负相关,而只有Thermanaerovibrio与TCE的去除率正相关。(6)采用响应面法中的中心组合设计对HRT、温度和进水pH值等UASB反应器的运行条件进行优化。通过模型预测的最优UASB反应器运行条件为HRT为19.44h,温度为31.07℃,进水pH为7.13时,TCE去除率达到96.52%,以模型预测的最佳条件进行验证,实际操作中UASB反应器运行条件为HRT为20h,温度为32℃和进水pH为7.2时,TCE的平均去除率为97.71%,并且TCE去除率比优化前(90.17%)提高了8.36%。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X172

【参考文献】