反硝化型甲烷厌氧氧化微生物富集及特性研究

【摘要】：反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,简称DAMO)过程,是以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体的甲烷厌氧氧化过程。该过程在2006年首次得到证实,随后成为环境领域研究的热点。DAMO过程的发现为废水的生物脱氮提供了一种新的途径,该过程能利用CH4作为电子供体实现反硝化,若能应用于实际的污水处理厂中,不但能减少温室气体CH4的排放,还能降低污水处理厂的能耗。同时,DAMO过程的证实对完善全球氮循环及甲烷循环的认识有着重大意义。而其独特的反应机理更是为O2的产生添补了一种新的途径。 涉及DAMO反应的微生物包括ANME古菌与NC10门细菌,此类微生物生长极其缓慢,导致DAMO培养物难以获得,从而阻碍DAMO反应的进一步深入研究。因此,必须探明影响DAMO微生物富集的主要因素,解决其生长受限问题,才能加快DAMO研究的进程。本课题旨在富集不同的DAMO培养物,并研究其所涉及微生物的相关特性。 本试验搭建了4套结构相同的DAMO培养物专属富集反应器,均供给CH4作为电子供体,在不同条件下培养富集获得了4种不同的DAMO培养物A、B、C、D。其中R1与R2反应器启动所使用的接种物相同,均为杭州西溪河底泥、西湖底泥与农田水稻土壤的混合物,但所供给的氮素不同：R1反应器中供给氮素NH4+与N03",经过362天的富集,成功获得培养物A,含有DAMO古菌(39.4%)与厌氧氨氧化菌(Anammox)(45.8%); R2反应器中仅供给N02-作为电子受体,经过202天的富集,成功获得培养物B,仅由DAMO细菌(88.2%)组成。R3反应器的启动以西溪河底泥、杭州七格污水处理厂二沉池活性污泥与储泥池厌氧消化污泥的混合污泥为接种物,并供给NH4+与N03-,经过232天的富集,成功获得培养物C,含有DAMO古菌(77.7%)与Anammox细菌(17.7%)。R4反应器以R3反应器内经过227天富集驯化所得培养物C为接种物,并供给N03-作为电子受体,再经过326天的富集,成功获得培养物D,同时含有DAMO细菌(62.2%)与DAMO古菌(26.5%)。 试验发现,不同氮素组合对DAMO微生物的富集有着一定的影响。N03-与N02-分别对DAMO古菌与DAMO细菌的选择有着重要作用,在同时供给NH4+与N03-的培养物A与C中,DAMO细菌在与Anammox细菌竞争N02-的过程中被淘汰。且不同接种物对DAMO微生物群落结构也存在一定影响。在本试验中,将淡水河底泥、污水处理厂活性污泥及厌氧消化污泥的混合物作为富集DAMO培养物的接种物优于淡水河底泥、淡水湖底泥与农田水稻土壤的混合物。 以培养物D作为研究对象,考察了pH、温度与溶解氧对DAMO反应过程的影响。结果表明,当温度低于35℃时,DAMO反胜速率随着温度的降低而下降；当温度高于35℃时,DAMO反应速率随着温度的升高而下降；在35℃时,DAMO反应速率最大。当pH小于6.5时,DAMO反应速率随着pH的降低而下降；当pH大于7.5时,反应速率随着pH的升高而下降；在pH6.5与7.5时DAMO反应速率最大。DAMO微生物工作性能与溶解氧浓度成反比,即溶解氧的存在会抑制DAMO微生物的反应过程。 试验检测到反应器内部有N2O的存在,并观察到其明显的积累与消耗趋势。由于DAMO细菌不具备N20还原的基因,因此,根据此现象提出了两种相关假设：N20的消耗可能由系统内除DAMO菌以外的微生物完成；DAMO细菌中可能存在着除Nos以外的某种未知的N20转化基因。并在第二种假设成立的前提下分析了N20出现积累及消耗趋势的原因。 【关键词】：反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO) 富集培养 氮素 接种物 环境因素 N_2O 反应途径
【学位授予单位】：浙江工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X172;X703
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 引言13-15
• 1.2 反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)技术研究进展15-21
• 1.2.1 硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化(SAMO)过程15-17
• 1.2.2 厌氧氨氧化(Anammox)过程17
• 1.2.3 反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)过程17-21
• 1.3 研究目的和意义21-22
• 1.4 研究内容22-25
• 1.4.1 研究内容22-23
• 1.4.2 技术路线23-24
• 1.4.3 难点与创新点24-25
• 第2章 DAMO微生物的富集培养25-38
• 2.1 试验材料与方法25-29
• 2.1.1 试验材料25-27
• 2.1.2 试验方法27-29
• 2.2 结果与讨论29-37
• 2.2.1 DAMO培养物A获得29-32
• 2.2.2 DAMO培养物B获得32-34
• 2.2.3 DAMO培养物C获得34-35
• 2.2.4 DAMO培养物D获得35-37
• 2.3 本章小结37-38
• 第3章 不同氮素组合与接种物对DAMO培养物中微生物群落结构影响研究38-49
• 3.1 试验材料与方法38-40
• 3.1.1 试验材料38
• 3.1.2 试验方法38-40
• 3.2 结果与讨论40-47
• 3.2.1 不同DAMO培养物中的微生物群落结构40-44
• 3.2.2 不同氮素组合对DAMO培养物中微生物群落结构的影响44-46
• 3.2.3 不同接种物对DAMO培养物中微生物群落结构的影响46-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第4章 环境因素对DAMO工作性能影响研究49-60
• 4.1 试验材料与方法49-51
• 4.1.1 试验材料49
• 4.1.2 试验方法49-51
• 4.2 结果与讨论51-58
• 4.2.1 温度对DAMO工作性能的影响51-53
• 4.2.2 pH对DAMO工作性能的影响53-56
• 4.2.3 溶解氧对DAMO工作性能的影响56-58
• 4.3 本章小结58-60
• 第5章 DAMO反应途径初探60-65
• 5.1 试验材料与方法60-61
• 5.1.1 试验材料60-61
• 5.1.2 试验方法61
• 5.2 结果与讨论61-63
• 5.3 本章小结63-65
• 第6章 结论与展望65-68
• 6.1 结论65-66
• 6.2 展望66-68
• 参考文献68-78
• 致谢78-79
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文79-80

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