铜（Ⅱ）和土霉素对厌氧氨氧化工艺性能的抑制及其调控对策

发布时间：2020-08-28 02:30

【摘要】：厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)工艺以其低能耗、高效脱氮等特点在废水领域展现出广阔的应用前景。然而,实际废水如畜禽养殖废水中含有的重金属和抗生素等致毒因子会对该工艺的功能微生物活性产生抑制作用,降低工艺脱氮性能。因此,本文以铜(Cu(Ⅱ))与土霉素(OTC)为例考察了重金属和抗生素对anammox工艺性能的影响,并通过对微生物菌群、关键功能基因及抗生素抗性基因(ARGs)等变化分析了抑制作用机理;考察了工艺性能的自恢复过程和不同生物强化策略对OTC抑制工艺的缓解效能,并探明了强化机理;进而探索了OTC抑制解除后再遇Cu(Ⅱ)胁迫时anammox工艺的响应特征及Cu(Ⅱ)抑制与恢复机理,主要结果如下:(1)考察了Cu(Ⅱ)与OTC对anammox工艺的抑制影响及其自恢复过程。探明Cu(Ⅱ)与OTC单独及复合作用对anammox工艺、微生物菌群、功能基因及ARGs的影响。试验结果表明:1.0 mg L-1 OTC、Cu(Ⅱ)及OTC+Cu(Ⅱ)对anammox工艺性能及功能微生物Ca.Kuenenia.产生抑制作用;反应器运行性能可自恢复,恢复时间分别为25、3及3 d。2.0 mg L-1的Cu(ⅡⅡ)及OTC+Cu(Ⅱ)可显著上调nirS丰度。反应器中均检测到Xanthomonadaceae为第二大优势科,说明Cu(Ⅱ)抑制过程中反应器中可能出现了潜在的抗性菌群。外排泵机制为anammox菌抵抗Cu(Ⅱ)的主要机制之一。(2)探索了不同生物强化模式对OTC抑制的缓解效能。从工艺性能、微生物菌群分布、anammox微生物活性、关键功能基因及ARGs响应机制等方面,比较了单项投加和双向交换两种生物强化模式缓解抑制的效能。结果表明:生物强化有利于受OTC抑制的anammox工艺性能恢复,双向交换模式优于单向投加模式。Ca.Kuenenia是潜在的OTC抗性种群,但其丰度变化不是促成性能恢复的关键因素。受抑和恢复过程中,anammox菌的代谢活性与血红素含量及转录水平功能基因丰度间存有较为复杂的关系。生物强化调控胞外聚合物(EPS)结构及含量变化,是其构建anammox混培物抵御OTC胁迫的防御机制,生物强化调的关键在于强化菌源的选择及适宜的强化模式。(3)探究了anammox工艺在OTC抑制解除后再遇Cu(Ⅱ)胁迫的运行稳定性及恢复机理。从工艺性能、微生物菌群分布、anammox微生物活性、关键功能基因及ARGs等方面,考察了 Cu(Ⅱ)再次胁迫anammox工艺时的抑制特征。结果表明:Cu(Ⅱ)对anammox工艺为可恢复的抑制。由低至高(0.1到2.0 mg L-1)的Cu(Ⅱ)抑制方式比高浓度直接抑制(1.0及2.0 mg L-1各抑制60天)更有利于工艺性能提升。Cu(Ⅱ)抑制anammox工艺时,反应器内存在优势属Ca.Kuenenia与Ca.Anammoxoglobbus演替(由0.09%增加至36%)。Cu(Ⅱ)胁迫时,nirS率先通过自身丰度上调来应对胁迫。诱导Cu(Ⅱ)抗性菌群的出现及污泥抗性的获得是anammox工艺应对Cu(Ⅱ)胁迫时的恢复机制。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

．ａｎａｍｍｏｘｅｔａ．，Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅ邋ａｎａｍｍｏｘ邋ｐｌａｎｔｓ邋ａｒｏｕｎｄ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ邋（Ａｌｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，逡逑２０１５）逡逑１．４．１厌氧氨氧化徽生物特性逡逑ＡｎＡＯＢ为革兰氏阴性菌，属浮霉菌目（Ｐｌａｎｃｔｏｍｙｃｅｔａｌｅｓ）、厌氧氨氧化科逡逑（Ａｎａｍｍｏｘａｃｅａｅ），其细胞多呈球形或卵形，直径为０．８？ｌ．ｌｆｉｍ，具有多细胞逡逑膜分割的细胞结构（图邋１．２）邋（Ｎｏｚｈｅｖｎｉｋｏｖａ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１２）。以邋Ｃａ．邋５ｒａｃｍ／ｚａ逡逑

灰线：厌氧氨氧化小体作为发生厌氧氨氧化反应的场所内有胞浆分割的隔室被细胞膜所包逡逑围；黄色箭头：电子流；黄色方块：铁硫簇；ｂ，ｃ，ｄ：血红素；ｃ：典型的血红素；Ｍｏ：逡逑银蝶呤。辅酶因子分析参考ＳｔｒｏｕｓｅｔａＬ（２００６）逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｐａｔｈｗａｙ邋ａｎｄ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｍａｃｈｉｎｅｒｙ邋ｏｆ邋Ｃａ．邋Ｋｕｅｎｅｎｉａ邋ｓｔｕｔｔｇａｒｔｉｅｎｓｉｓ．邋（Ｋａｒｔａｌ逡逑ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１）邋Ｔｈｅ邋ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ，邋ａｎ邋ｉｎｔｒａｃｙｔｏｐｌａｓｍｉｃ邋ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ邋ｂｏｕｎｄｅｄ邋ｂｙ邋ａ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑（ｇｒｅｙ邋ｌｉｎｅ），邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋ｌｏｃｕｓ邋ｏｆ邋ａｎａｉｎｍｏｘ邋ｃａｔａｂｏｌｉｓｍ．邋Ｙｅｌｌｏｗ邋ａｒｒｏｗｓ，邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｆｌｏｗ；邋ｙｅｌｌｏｗ邋ｓｑｕａｒｅ，逡逑ｉｒｏｎ－ｓｕｌｐｈｕｒ邋ｃｌｕｓｔｅｒｓ；邋ｂ，邋ｈａｅｍ邋ｂ；邋ｃ，邋ｈａｅｍ邋ｃ；邋ｃ！，邋ａｔｙｐｉｃａｌ邋ｈａｅｍ邋ｃ；邋ｄ，邋ｈａｅｍ邋ｄ；邋Ｍｏ，邋ｍｏｌｙｂｄｏｐｔｅｒｉｎ．逡逑Ｃｏｆａｃｔｏｒｓ邋ａｎｄ邋ｍｏｔｉｆｓ邋ｗｅｒｅ邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ邋ｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙ邋（Ｓｔｒｏｕｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００６）逡逑７逡逑

灰线：厌氧氨氧化小体作为发生厌氧氨氧化反应的场所内有胞浆分割的隔室被细胞膜所包逡逑围；黄色箭头：电子流；黄色方块：铁硫簇；ｂ，ｃ，ｄ：血红素；ｃ：典型的血红素；Ｍｏ：逡逑银蝶呤。辅酶因子分析参考ＳｔｒｏｕｓｅｔａＬ（２００６）逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｐａｔｈｗａｙ邋ａｎｄ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｍａｃｈｉｎｅｒｙ邋ｏｆ邋Ｃａ．邋Ｋｕｅｎｅｎｉａ邋ｓｔｕｔｔｇａｒｔｉｅｎｓｉｓ．邋（Ｋａｒｔａｌ逡逑ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１）邋Ｔｈｅ邋ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ，邋ａｎ邋ｉｎｔｒａｃｙｔｏｐｌａｓｍｉｃ邋ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ邋ｂｏｕｎｄｅｄ邋ｂｙ邋ａ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑（ｇｒｅｙ邋ｌｉｎｅ），邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋ｌｏｃｕｓ邋ｏｆ邋ａｎａｉｎｍｏｘ邋ｃａｔａｂｏｌｉｓｍ．邋Ｙｅｌｌｏｗ邋ａｒｒｏｗｓ，邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｆｌｏｗ；邋ｙｅｌｌｏｗ邋ｓｑｕａｒｅ，逡逑ｉｒｏｎ－ｓｕｌｐｈｕｒ邋ｃｌｕｓｔｅｒｓ；邋ｂ，邋ｈａｅｍ邋ｂ；邋ｃ，邋ｈａｅｍ邋ｃ；邋ｃ！，邋ａｔｙｐｉｃａｌ邋ｈａｅｍ邋ｃ；邋ｄ，邋ｈａｅｍ邋ｄ；邋Ｍｏ，邋ｍｏｌｙｂｄｏｐｔｅｒｉｎ．逡逑Ｃｏｆａｃｔｏｒｓ邋ａｎｄ邋ｍｏｔｉｆｓ邋ｗｅｒｅ邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ邋ｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙ邋（Ｓｔｒｏｕｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００６）逡逑７逡逑

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本文编号：2806964