群体感应（QS）对MBR膜污染影响分析

发布时间：2017-09-21 01:08

  本文关键词：群体感应（QS）对MBR膜污染影响分析

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【摘要】：随着人类对环境质量要求的提高,传统污水处理方式的局限性越来越明显,膜生物反应器作为一种新型高效的水处理工艺受到越来越广泛的重视。然而,膜污染仍是限制MBR应用的巨大瓶颈,它导致处理能耗的增加、膜的频繁更换和产水量的降低。膜污染可分为有机污染,无机污染和生物污染,其中,生物膜在滤膜上缓慢形成导致的生物污染是引起膜通量下降的主要因素。深入理解膜生物污染的形成机理,在此基础上提出有效的膜污染控制措施和膜清洗措施,保证实际工艺的高效运行,延长膜的使用寿命,这是MBR应用过程中急需解决的关键问题,也是目前国内外一直关注的研究热点。研究表明,生物膜的形成和微生物群体感应(Quorum Sensing, QS)紧密相关,MBR中利用群体淬灭减缓膜污染是一种有效的污染控制途径。本研究以处理生活污水的MBR装置为研究对象,从膜生物污染物表征、导致膜生物污染的群体感应信号分子的确定、通过群体感应诱导膜污染产生的微生物群落结构解析等方面,探讨生物群体感应对MBR膜污染的影响,从生物学本质阐述膜生物污染的形成机理,为后续提出有效的MBR膜污染控制措施奠定基础。本文对不同运行时段、不同跨膜压力(TMP)条件下MBR中活性污泥和膜上污染物的EPS和SMP含量进行检测,并对EPS和SMP中蛋白质、多糖和DNA的含量进行分析。结果表明,导致膜生物污染的主要污染物是EPS,但SMP在起始阶段发挥更大的污染作用。在生物滤层和污泥混合液中EPS里含量最多的污染物为蛋白质,但多糖的含量变化也起到较为重要的作用。混合液中的SMP成分中的主要污染物是蛋白质和多糖两种,蛋白质主要在污染的前期起作用,多糖在整个运行中都起重要作用。信号分子、微生物和基因表达是群体感应实现对环境的适应调控并且形成生物滤层的三个必要因素。文中采用UPLC-MS/MS的方法对MBR膜生物滤层和活性污泥中的AHL类信号分子进行了检测,得出在不同跨膜压力时段信号分子的种类和含量变化趋势,探知群体感应导致膜污染发生的规律,确定导致膜污染产生的主要信号分子。结果表明,生物滤层中,主要作用于初期的信号分子有C4-HSL、C6-HSL、C8-HSL、3-o-C8-HSL,在生物成熟稳定期主要发挥作用的信号分子有C4-HSL, C6-HSL,3-o-C6-HSL、C12-HSL。膜污染后期,各种信号分子含量均较少,只有C6-HSL和3-o-C8-HSL还能维持在较高的值,认为是这个时期主要的信号分子。将污泥混合液和生物滤层中信号分子分别与污染物进行相关性分析,认为C8-HSL能促进混合液SMP和EPS中多糖的产生,对混合液EPS中蛋白质和DNA的产生也有部分的促进作用。3-o-C8-HSL能促进混合液SMP中的蛋白质、DNA的产生,3-o-C6-HSL对膜上EPS中蛋白呈现较强的促进作用。微生物是处理污水的主体,也是形成MBR膜表面生物膜的主要组成成分。本文对不同跨膜压力条件下MBR中活性污泥和滤膜上生物膜的生物群落结构进行解析,将主导膜污染的信号分子、产生的主要污染物和相应的菌种相关联,并探讨了污泥和滤膜上生物膜中微生物种类、数量的差别。发现Simplicispira、 Saccharibacteria_norank、Comamonadaceae unclassifie是污泥混合液和生物滤层中的三种主要菌属,在污染的初期,Comamonadaceae unclassifie通过C8-HSL、 3-o-C8-HSL促进SMP和EPS中的多糖、蛋白质、DNA的产生。在膜污染的中期,Simplicispira在膜上繁殖生长,主要通过产生3-o-C6-HSL促进EPS中蛋白的分泌。膜污染的后期,各种信号分子含量较少,C6-HSL和3-o-C8-HSL可能是主要的信号分子,促进部分蛋白的产生。说明在污染的早期和中期,主要作用菌群不同,产生不同种类的信号分子,激活基因表达,分泌相应的胞外聚合物,致使膜生物污染不断加重,在污染的后期,微生物衰亡老化释放的大量胞内物质成为污染的主要机理,信号分子的作用在其次。已有较多研究表明群体感应对MBR膜生物污染的形成有促进作用,但污染的阶段性变化和群体感应信号分子间的相互关系没有细致划分,本研究提供了较为全面的研究和分析,更清楚的阐释了在不同运行时期的污染机理。
【关键词】：群体感应 MBR膜污染 信号分子 群落结构
【学位授予单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-31
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 MBR膜污染概述15-20
• 1.2.1 膜污染机制15-16
• 1.2.2 膜污染类型16-17
• 1.2.3 膜污染影响因素17-20
• 1.3 群体感应在MBR膜污染控制中的研究进展20-26
• 1.3.1 群体感应20-22
• 1.3.2 膜污染与群体感应的关系22-23
• 1.3.3 基于群体感应抑制的膜污染控制23-26
• 1.4 微生物群落结构与MBR膜生物污染的关系26-28
• 1.4.1 微生物对膜的起始生物污染影响机制研究27-28
• 1.5 课题提出28-31
• 1.5.1 研究目的和主要研究内容29
• 1.5.2 研究意义和创新29-31
• 第2章 实验材料和方法31-44
• 2.1 实验试剂和材料31-33
• 2.1.1 实验试剂31-32
• 2.1.2 实验材料32-33
• 2.2 实验装置33-34
• 2.3 主要试验仪器34
• 2.4 实验方法34-44
• 2.2.1 反应器启动方法35-38
• 2.2.2 污泥混合液和生物滤层中EPS提取方法38
• 2.2.3 污泥和膜上SMP提取方法38-39
• 2.2.4 污泥和膜上AHLs提取方法39
• 2.2.5 UPLC-MS/MS检测提取的AHLs39-41
• 2.2.6 原位生物检测膜上滤层中AHLs41-42
• 2.2.7 常规指标分析方法42-44
• 第3章 MBR中膜生物污染解析44-62
• 3.1 MBR反应器的启动运行44-48
• 3.1.1 MBR反应器污水处理效果44-47
• 3.1.2 活性污泥生物相分析47-48
• 3.2 膜污染物解析48-61
• 3.2.1 MBR中跨膜压力变化趋势49-50
• 3.2.2 膜污染物成分解析50-60
• 3.2.3 生物滤层与污泥混合液中的污染物相关性60-61
• 3.3 本章小结61-62
• 第4章 群体感应对膜生物污染的影响62-80
• 4.1 群体感应检测位置确定62-65
• 4.2 群体感应信号分子检测65-78
• 4.2.1 标准品信号分子检测65-70
• 4.2.2 样品信号分子随TMP的变化规律70-76
• 4.2.3 群体感应与膜污染相关性分析76-78
• 4.3 本章小结78-80
• 第5章 生物群落结构解析与膜生物污染80-105
• 5.1 生物群落结构解析80-102
• 5.1.1 数据优化与统计80-82
• 5.1.2 OTU群落聚类82-83
• 5.1.3 稀释性曲线分析83-84
• 5.1.4 多样性指数分析84-87
• 5.1.5 Rank-Abundance曲线87-88
• 5.1.6 Specaccum物种累积曲线88-89
• 5.1.7 OTU分布文氏图89-91
• 5.1.8 群落结构组分图91-96
• 5.1.9 PCA分析96-98
• 5.1.10 多样本相似度树状图98-100
• 5.1.11 热图100-102
• 5.2 群落结构与群体感应及膜污染的关系102-103
• 5.3 本章小结103-105
• 结论与展望105-107
• 致谢107-108
• 参考文献108-117
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 郭嘉亮;陈卫民;;细菌群体感应信号分子与抑制剂研究进展[J];生命科学;2007年02期

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本文编号：891466