Anammox菌的金属暴露响应及其耦合脱氮的数学模拟
发布时间：2020-09-11 12:22
厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidizing, Anammox)技术因其高效、低能耗和环境友好的特点受到广泛关注,但该技术至今仍未得到广泛的工程应用,主要限制瓶颈为：Anammox细菌富集困难导致的工艺启动期漫长。此外,污水中的重金属、有机碳等物质会抑制其代谢活性,进一步限制了该技术的工程应用范围。针对上述问题,本论文以Anammox菌群为研究对象,选取实际废水中常见的重金属元素Cd、Ag、Hg、Pb和微生物代谢所必须的微量元素Fe、Mn共6种常见金属元素,通过探索上述重金属元素对Anammox菌群脱氮效果和代谢活性的影响及相关机理。在此基础上,开发出强化Anammox菌群代谢活性、缩短工艺启动期的新方法。此外,对Anammox与异养反硝化耦合脱氮工艺进行数学模拟,优化主要工艺条件、详细分析了模型中的关键动力学参数对模拟结果的影响。论文取得了一些创新性的研究成果,主要包括：(1)Cd2+、Ag+、Hg2+和Pb2+4种重金属离子依据暴露浓度不同,可对Anammox细菌的活性产生不同程度地抑制作用,导致Anammox菌群的总氮去除速率、胞内联氨脱氢酶(HDH)活性以及血红素c (heme c)的含量不同程度地下降。其中Cd2+和Hg2+的抑制作用在短期内不可逆；而Ag+和Pb2+的抑制作用经过96小时的恢复期,依据暴露浓度的大小,可部分或完全消除。上述4种元素对Anammox菌的毒性由强到弱依次为：Cd2+Ag+Hg2+Pb2+(2)在一定范围内提高基质中Fe2+浓度能够有效增强Anammox菌群的脱氮速率。在0.03-0.09 mM-Fe范围内,Anammox菌群总氮去除速率、heme c含量和HDH活性随着Fe2+浓度的增加而提高,最优值为0.09 mM。在此条件下,Anammox菌群的总氮去除速率可提高32.2%；Anammox反应器的启动期仅为58 d,与对照组相比缩短28%。当Fe2+浓度达到0.18 mM时,Anammox菌群的活性会受到明显的抑制。(3)MnO2能够缓冲高浓度基质对菌群的不利影响,进而强化Anammox菌群的活性。反应器实验证实,添加MnO2可使Anammox菌群的总氮负荷速率、总氮去除速率以及胞内HDH活性分别提高66.9%、98.2%和76.7%。经过长期培养、Mn元素逐渐在Anammox细菌细胞内部富集,并对细胞结构产生影响。(4)通过建立数学模型,可对指定条件下Anammox耦合异养反硝化脱氮工艺(SAD)的水质变化进行模拟。C/NO3-N比和污泥浓度比(反硝化菌/Anammox菌,XH/XAN)是控制脱氮效果的关键因素。C/NO3-N比在1.5-2.0、XH/XAN在0.3-0.4范围是SAD体系获得理想脱氮和脱碳效果的必要条件。在该模型中,Anammox菌和异养反硝化菌的亚硝氮半饱和速率常数比(KNO2H/KNO2AN)和异养反硝化菌分别以硝氮和亚硝氮代谢的缺氧还原系数比(ηNOB/ηNO2)为敏感性参数,会对模型的模拟结果产生显著影响。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703;X172
【部分图文】：
１．２．２厌氧氨氧化体逡逑利用电子断层成像技术脚ｅｃｔｒｏｎ邋Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＥＴ巧日透射电子显微镜（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ，邋ＴＥＭ）技术对Ａｎａｍｍｏｘ细菌的超微结构进行了研究［３７］，图１．３为电逡逑子断层扫描图片，可清楚观察到呈不规则弯曲形态的厌氧氨氧化体膜、厌氧氨氧化体逡逑内的储存颗粒Ｗ及由厌氧氨氧化体膜伸向厌氧氨氧化体内部的深管状突起。经放大观逡逑察，这些管状结构的横截面呈六边形，且由３个彼此巧同的单元所构成。每个独立的单逡逑元平均宽度为９．４邋ｒｎｎ，共同组成了即长又细的管状结构，有时该结构也会排列成姐，并逡逑可Ｗ充分伸展。据推测，该管状结构可能作为细胞骨架维持厌氧氨氧化体膜的弯曲形逡逑态，或者在厌氧氨氧化体分裂时起到关键作用，此外也可能是厌氧氨氧化体内某种关键逡逑代谢酶的高度聚集而形成的高级结构［３７］。逡逑图１．３邋Ａｎａｍｍｏｘ菌的电子断层扫描图；左图：分裂中的Ａｎｎａｍｍｏｘ细胞；右图：单个逡逑Ａｎａｍｍｏｘ邋细胞口ｎ逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｎａｐｓｈｏｔｓ邋ｏｆ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｂａｃｔｅｒｉａ邋ｂｙ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；邋Ｄｉｖｉｄｉｎｇ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｃｅｌｌ逡逑（ｌｅｆｔ）邋ａｎｄ邋ｓｉｎ吕ｌｅ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｃｅｌｌ邋（ｒｉｇｈｔ）邋口７］逡逑利用细胞色素过氧化物酶染色方法对细胞进行染色，发现参与代谢的细胞色素Ｃ蛋逡逑白位于厌氧氨氧化体靠近其边缘约１５０ｎｍ的范围内，另外在厌氧氨氧化体膜弯曲程度逡逑８逡逑
通过邋ＴＥＭ邋发逡逑现了进行Ａｎａｍｍｏｘ代谢的器官；厌氧氨氧化体（Ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ），于是提出了第２种逡逑Ａｎａｍｍｏｘ代谢途径（图１．巧：位于细胞膜内部的细胞质一侧存在亚硝酸盐还原酶逡逑（Ｎｉｔｒｉｔｅ－ｒｅｄｕｃｉｎｇ邋ｅｎｚｙｍｅ，邋Ｎｉｒ），将邋Ｎ０２＇还原为邋ＮＨ２ＯＨ；联氨水解酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ邋ｈｙｄｒｏｌａｓｅ，逡逑ＨＨ）催化ＮＨ２ＯＨ和ＮＨ３缩合成Ｎ２Ｈ４；而位于Ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ邋—侧的
本文编号：2816669
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703;X172
【部分图文】：
１．２．２厌氧氨氧化体逡逑利用电子断层成像技术脚ｅｃｔｒｏｎ邋Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＥＴ巧日透射电子显微镜（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ，邋ＴＥＭ）技术对Ａｎａｍｍｏｘ细菌的超微结构进行了研究［３７］，图１．３为电逡逑子断层扫描图片，可清楚观察到呈不规则弯曲形态的厌氧氨氧化体膜、厌氧氨氧化体逡逑内的储存颗粒Ｗ及由厌氧氨氧化体膜伸向厌氧氨氧化体内部的深管状突起。经放大观逡逑察，这些管状结构的横截面呈六边形，且由３个彼此巧同的单元所构成。每个独立的单逡逑元平均宽度为９．４邋ｒｎｎ，共同组成了即长又细的管状结构，有时该结构也会排列成姐，并逡逑可Ｗ充分伸展。据推测，该管状结构可能作为细胞骨架维持厌氧氨氧化体膜的弯曲形逡逑态，或者在厌氧氨氧化体分裂时起到关键作用，此外也可能是厌氧氨氧化体内某种关键逡逑代谢酶的高度聚集而形成的高级结构［３７］。逡逑图１．３邋Ａｎａｍｍｏｘ菌的电子断层扫描图；左图：分裂中的Ａｎｎａｍｍｏｘ细胞；右图：单个逡逑Ａｎａｍｍｏｘ邋细胞口ｎ逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｎａｐｓｈｏｔｓ邋ｏｆ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｂａｃｔｅｒｉａ邋ｂｙ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；邋Ｄｉｖｉｄｉｎｇ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｃｅｌｌ逡逑（ｌｅｆｔ）邋ａｎｄ邋ｓｉｎ吕ｌｅ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｃｅｌｌ邋（ｒｉｇｈｔ）邋口７］逡逑利用细胞色素过氧化物酶染色方法对细胞进行染色，发现参与代谢的细胞色素Ｃ蛋逡逑白位于厌氧氨氧化体靠近其边缘约１５０ｎｍ的范围内，另外在厌氧氨氧化体膜弯曲程度逡逑８逡逑
通过邋ＴＥＭ邋发逡逑现了进行Ａｎａｍｍｏｘ代谢的器官；厌氧氨氧化体（Ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ），于是提出了第２种逡逑Ａｎａｍｍｏｘ代谢途径（图１．巧：位于细胞膜内部的细胞质一侧存在亚硝酸盐还原酶逡逑（Ｎｉｔｒｉｔｅ－ｒｅｄｕｃｉｎｇ邋ｅｎｚｙｍｅ，邋Ｎｉｒ），将邋Ｎ０２＇还原为邋ＮＨ２ＯＨ；联氨水解酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ邋ｈｙｄｒｏｌａｓｅ，逡逑ＨＨ）催化ＮＨ２ＯＨ和ＮＨ３缩合成Ｎ２Ｈ４；而位于Ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ邋—侧的
本文编号：2816669
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