厌氧微生物聚集体与生物气微气泡聚苯乙烯纳米颗粒的作用机制

发布时间：2020-11-19 18:18

　　 厌氧消化技术作为一种既能去除污染物又能产生能源的废水生物处理手段,以其能耗低、运行费用省、产生甲烷以回收能源等特点而被认为是一种可持续的废水处理技术。但迄今为止,在如何提高反应器传质效率、维持系统稳定性、降低出水环境风险等方面,依然有很多科学问题需要深入探索,其中两个重要的限制因素是:(1)厌氧微生物聚集体与生物气微气泡的作用机制尚不清楚,这对优化反应器设计有着重要的理论意义;(2)以纳米材料为代表的新型污染物与厌氧微生物聚集体的作用机制尚未完全揭示,这对维持反应器稳定、降低出水风险具有重要的实际指导意义。因此,本研究围绕上述两个瓶颈问题,利用冲击射流技术与气泡探针原子力显微镜技术解析厌氧微生物聚集体与生物气微气泡的作用规律;从微生物群落、细胞、基因等水平阐述厌氧微生物聚集体与聚苯乙烯纳米颗粒(PS-NPs)的作用机制,以期为厌氧反应器的优化与稳定运行提供一定的理论指导。(1)解析了厌氧颗粒污泥与生物气微气泡间的作用规律。冲击射流实验结果表明,在雷诺数为40-140的范围内,CH4与CO2气泡在厌氧颗粒污泥上的标准化黏附通量随着雷诺数的增加而减小,该黏附通量与厌氧颗粒污泥的接触角、疏水性官能团数量成正比。蛋白废水厌氧颗粒污泥具有疏水性更高的表面,在相同的雷诺数下,CH4和CO2气泡在蛋白废水厌氧颗粒污泥上的黏附通量大于其在啤酒废水厌氧颗粒污泥上的黏附通量。气泡探针原子力显微镜技术用于解析厌氧颗粒污泥与生物气微气泡之间的黏附作用力,结果表明CH4和CO2气泡与蛋白废水厌氧颗粒污泥的黏附作用力显著大于其与啤酒废水厌氧颗粒污泥的黏附作用力(p0.01)。(2)阐释了不同电荷PS-NPs对厌氧颗粒污泥性能的影响规律。结果表明,相比于磺酸基修饰的表面带有负电荷的PS-NPs(PS-SO3H),氨基修饰的表面带有正电荷的PS-NPs(PS-NH2))对厌氧颗粒污泥的产气性能具有更强的抑制作用。但是,这种抑制作用在第二个作用周期中就会恢复。两种不同电荷的PS-NPs均能够改变EPS的蛋白质二级结构,并穿透EPS层,进入厌氧颗粒污泥内部。16S rRNA测序结果表明,多种产甲烷菌属的相对丰度在两种电荷PS-NPs作用的第一个周期中降低,而在第二个作用周期中又明显回升。与产甲烷相关的两类产甲烷功能基因(mcrA和ACAS基因)也表现出了相似的变化规律。(3)基于Methanosarcia acetivorans C2A 对 PS-NPs 的响应,探索了 PS-NPs与厌氧絮状污泥的作用机制。为了提高PS-NPs在复杂环境样品中的衬度,合成了钯掺杂的PS-NPs(Pd-PS),与空白组相比,Pd-PS能够降低厌氧絮状污泥的甲烷产量。加入Pd-PS后,厌氧絮状污泥EPS中的蛋白类物质和多糖的含量都有所降低,但Pd-PS主要与EPS中的蛋白类物质相互作用。由于Pd-PS降低了产甲烷菌属的相对丰度,产甲烷菌Me硫anosarcina acetivorans C2A被选来进一步探究了 Pd-PS与厌氧絮状污泥的作用机制。结果表明,Pd-PS虽然没有明显抑制M acetivorans C2A的生长,但降低了该菌的产甲烷量。通过多种功能基因的分析表明,Pd-PS主要通过抑制M acetivorans C2A中甲醇到甲烷代谢通路,从而达到抑制其产甲烷量的目的。(4)研究了 PS-NPs对厌氧微生物聚集体中抗性基因水平转移规律的影响。从生活污水处理厂微塑料表面的生物膜中鉴定出了qnrA、sull、cmlA等6种抗生素抗性基因,其中整合子(intIl)的存在表明生物膜中的抗性基因具有发生水平转移的能力。以Escherichia coli J53为受体菌,研究了与移动遗传元件密切相关的磺胺类抗性基因sull的接合转移,结果表明生物膜上的sull水平转移到了E.coli J53中,且其水平转移频率显著高于污水处理厂中污泥样品的水平转移频率(p0.05)。比较基因组学结果表明,sull的水平转移使E.coli J53获得了整合子信息,但并未改变其代谢功能。研究还发现,PS-NPs通过破坏厌氧絮状污泥中细菌的细胞膜,增加其细胞膜通透性,从而促进厌氧絮状污泥中的sull向环境微生物的水平转移。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703
【部分图文】：

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二代厌氧反应器??随着生物发酵工程的进一步发展，人们认识到反应器内要持留大量的活性厌??氧污泥，６０年代末，厌氧滤池（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ?Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＦ）的发明是厌氧反应器的重??要发展突破［８］。而７０年代以来，荷兰农业大学环境系Ｌｅｔｔｉｎｇａ等发展的升流式厌??氧污泥床反应器（Ｕｐ－ｆｌｏｗａｎａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅｂｅｄ，即ＵＡＳＢ）是厌氧处理的最大突??破［９１而ＵＡＳＢ反应器是目前应用最广泛的厌氧反应器，据估计，全球将近８０％??的厌氧废水处理系统基于ＵＡＳＢ技术图１－３显示了?ＵＡＳＢ的结构图，废水??从反应器底部进入反应器，反应器主体是无填料的空容器，其中含有大量的厌氧??污泥，由于废水以一定流速自下而上流动以及厌氧过程产生的大量生物气的搅拌??作用，废水与厌氧污泥充分混合，有机质被吸附降解，所产生的生物气由反应器??上部的三相分离器的集气室排出反应器，含有厌氧污泥的废水进入三相分离器的??沉降区，由于生物气己经从废水中分离出去，沉降区不再受到生物气的搅拌作用，??沉降性能良好的污泥沉降返回反应器主体部分，从而保证了反应器内具有较高的??污泥浓度。??Ｂｉｏｇａｓ??－，??Ｇａｓ?ｂｕｂｂｌｅ?Ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ??、一?ｓｅｐａｒａｔｏｒ??一?？??．．．＊?＊１?．?Ｉ?ＵＡＳＢ??一??Ｂａｆｆｌｅ??？？？？?？？?＊．?？．?？．?？?■??？?■?．?．?．、?？?＾??Ｓｌｕｄｇｅ?ｂｌａｎｋｅｔ??．?■．?．．．??Ｉｎｆｌｕｅｎｔ???图１－３?ＵＡＳＢ反应器示意图〃１］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈ
【参考文献】

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本文编号：2890310