异养硝化细菌WY-01同步脱氮除酚性能及机理研究

发布时间：2018-07-13 12:07

【摘要】：异养硝化细菌具有生长速度快、底物耐受性高以及同时硝化反硝化等优势,在生物脱氮领域备受关注。目前异养硝化细菌脱氮的碳源多以无毒的有机小分子物质为主,而以苯酚等有害物质为底物的研究还比较少。众所周知一些工业废水往往同时含有高浓度的氨氮和苯酚,并且苯酚会对硝化过程产生抑制作用,严重阻碍了该类废水中氮元素的去除。因此,如何高效地去除废水中的氨氮和苯酚已成为目前生物处理亟需解决的问题。本论文研究的菌株WY-01是从太原钢铁有限公司蒸氨废水中筛选获得,其能在含苯酚废水中降解氨氮。首先通过形态观察、生理生化特征以及分子生物学技术对WY-01进行分类鉴定;然后主要从底物代谢特征、代谢路径以及影响因素等三个方面分别对WY-01的氨氮和苯酚降解性能与机理进行系统分析;最后通过外施碳源法和构建吸附 解吸附 生物降解系统两种方法成功实现了WY-01对氨氮和苯酚的同步降解,特别是第二种实验方法为高浓度苯酚废水中氨氮和苯酚的共降解提供了一种经济有效的借鉴方法。本文所得到的主要研究结论如下:(1)从蒸氨废水中筛选获得一株能够在含酚废水中降解氨氮的异养硝化细菌WY-01,并通过形态观察、生理生化特征及16SrDNA序列分析对其进行鉴定,结果表明该异养硝化细菌属于粪产碱杆菌属(Alcaligenes faecalis)。(2)氨氮的降解与菌株WY-01生长密切相关,且主要集中在对数生长期。当氨氮初始浓度约为400mgN/L时,氨氮降解效果较好,但会伴有少量中间产物的积累。此外,还分析了WY-01对硝化中间产物利用情况及产气性能,结果表明有氧条件下WY-01可以分别利用氨氮和羟胺作为唯一氮源进行反硝化生成N_2,但不能利用亚硝酸盐氮和硝酸盐氮作为唯一氮源进行反硝化。(3)虽然菌株WY-01体内没有检测到NR和NiR的酶活性,但是检测到HAO的酶活性,暗示着HAO可能参与了羟胺有氧转化生成氮气的过程。基因检测结果证明WY-01基因组中存在amoA、NirK、NorB和NosZ这四种关键酶基因。综合分析WY-01的氮源利用情况、酶活力与基因检测结果以及产气性能,推断WY-01的硝化反硝化路径可能有两条:一条是氨氮氧化生成亚硝酸盐氮,然后亚硝酸盐氮直接反硝化生成N_2,这一反应主要有AMO、HAO、Ni R、NOR和NOS依次催化完成;另一条是氨氮转化为NH_2OH,后者在HAO作用下直接转化生成氮气。(4)通过单因素实验分析温度、盐度等理化因素对菌株WY-01氨氮降解的影响,结果表明WY-01在培养温度低至10°C;盐度不高于60 g/L;培养液中Cu~(2+)浓度≤8 mmol/L或Zn~(2+)浓度≤0.5 mmol/L或Cu~(2+)和Zn~(2+)共存浓度不高于1 mmol/L;pH5 10;溶解氧浓度不低于4.67 mg/L等培养条件中表现出良好的氨氮降解性能;同时WY-01能够耐受较高浓度的氨氮,氨氮浓度高达2500 mg/L时仍可生长。(5)苯酚的降解与菌株WY-01的生长密切相关,并且苯酚的存在会影响WY-01氨氮降解过程中中间产物的积累;WY-01对苯酚的最大耐受浓度为1200 mg/L,低于该浓度时可以有效降解苯酚;苯酚的毒性抑制作用直观反映在WY-01适应期长短上,苯酚浓度越高适应期越长,并应用扫描电镜证实苯酚对菌体的毒性作用,严重时会导致细胞聚集成团,表面皱缩、凹陷。然后结合关键酶活性、关键酶基因以及代谢产物三个方面综合分析WY-01的苯酚代谢路径,表明WY-01主要通过邻位途径代谢苯酚,并最终经TCA循环生成CO_2。最后通过单因素实验对WY-01的苯酚降解性能进行优化,结果表明WY-01降解苯酚的最适条件为培养温度30 35°C、pH 7 8、DO≥4.79 mg/L和C/N=14。(6)外源施加一定浓度的碳源能够实现菌株WY-01对氨氮和苯酚的同步降解,并会显著提高氨氮的去除率;但是外施乙酸钠对苯酚降解的影响却因苯酚浓度不同而存在显著差异。当苯酚含量为500 mg/L时,外施乙酸钠会使苯酚的去除速率降低。而当苯酚浓度为800 1000 mg/L时,外施乙酸钠会通过促进菌体生长而使WY-01对高浓度苯酚的适应期缩短,进而使苯酚的去除速率显著提高。尽管通过外施碳源的方法可以促进氨氮和苯酚的共降解,但是该方法仍不能提高WY-01对苯酚的最大耐受浓度。(7)考虑到苯酚在大孔吸附树脂CAD-40上的吸附特性以及菌株WY-01能够利用苯酚作为碳源降解氨氮的性能,本文通过建立一种吸附 解吸附 生物降解系统以达到高酚废水中同时降解氨氮和苯酚的目的。利用该系统最高可将6000 mg/L的苯酚完全降解,同时实现384 mg/L氨氮的高效去除(去除率可达99.03%),而且CAD-40树脂能够在生物降解过程中实现再生而不需任何额外操作。所有结果表明该系统处理苯酚和氨氮的效果良好并具有较好的重复性,为高浓度含酚废水中实现氨氮和苯酚的共降解提供了一种经济有效的借鉴方法。随后通过qRT PCR技术对菌株WY-01同步脱氮除酚过程中的关键基因进行定量分析,结果显示苯酚降解关键基因PH和CatA,以及反硝化关键基因nirK和nosZ都在转录水平显著表达。
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本文编号：2119318