反硝化型甲烷厌氧氧化微生物的富集培养研究

【摘要】：反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation, DAMO)是一种新发现的微生物反应,催化该过程的微生物——NC10门细菌,能够耦联甲烷的厌氧氧化和NO3-/NO2的还原。DAMO过程连接了碳素循环和氮素循环,丰富了生物地球化学循环途径；NC10门细菌形态特殊,并且具有独特的代谢途径,扩充了微生物学内容；DAMO作用能同时去除甲烷与NO3-/NO2两种污染物,是环境工程领域新型除碳脱氮工艺开发的理想选择。然而,NC10门细菌生长极其缓慢,要获得DAMO富集培养物十分困难。接种物、培养基和反应器构型是微生物富集培养的三个关键因素,本论文分别从这三个方面入手,对DAMO微生物的富集培养进行了优化研究,主要结论如下： 1)比较了不同接种物富集培养DAMO微生物的差异,明确了DAMO微生物富集培养的最优接种物。 ①测试了厌氧产甲烷颗粒污泥、农田水稻土壤和淡水河道沉积物作为接种物的可行性,比较了富集培养过程中NC10门细菌数量的变化和DAMO活性的差异,其中富集结束时NC10门细菌的数量分别较接种物增加了63倍、2909倍和198倍,获得的富集培养物的DAMO活性分别为0.06mgN·g-1VSS·h-1、0.15mgN·g-1VSS·h-1和0.11mgN·g-1VSS·h-1,表明了三种接种物经富集均可获得DAMO富集培养物,均适宜作为DAMO微生物富集培养的接种物,扩大了DAMO接种物的来源,为DAMO富集培养物的获得提供了新的选择。 ②首次利用农田水稻土壤作为接种物成功获得了DAMO富集培养物,活性实验及分子生物学分析结果均表明农田水稻土壤是三者中最优接种物。 2)比较了天然培养基与人工培养基在DAMO微生物富集培养效果上的差异,得出了DAMO微生物富集培养的最优培养基。 ①比较了天然培养基与人工培养基富集培养DAMO微生物的差异,获得的富集培养物的DAMO活性分别为0.02mgN·g-1VSS·h-1和0.11mgN·g-1VSS·h-1,人工培养基是天然培养基的5.5倍；NC10门细菌的数量分别为1.01×108copies·g-1(dry soil)和2.01×108copies·g-1(dry soil),后者是前者的两倍,从而表明了以农田水稻土壤作为接种物,人工培养基较天然培养基的富集培养效果更好。 ②采用农田水稻土壤作为接种物,以人工培养基培养成功富集到了以groupB的NC10细菌为主导的DAMO富集培养物,首次证明了归属于group B的NC10细菌同样具有DAMO活性。 3)比较了不同构型反应器富集培养DAMO微生物的能力,得出了DAMO微生物富集培养的最优反应器构型。 ①比较了三种不同构型的反应器,即磁搅气升式反应器(Magnetic stirred air lift reactor, MSALR)、生物膜反应器(Biofilm reactor, BR)和序批式反应器(Sequencing batch reactor, SBR)富集培养DAMO微生物的差异。经过近一个月的富集培养,三者的容积氮去除速率分别提高了827.10%、302.92%和154.09%,DAMO活性分别为0.52mgN·g-1VSS·h-1,0.23mgN·g-1VSS·h-1和0.26mg N·g-1VSS·h-1,表明了三种构型装置均具有提高DAMO活性的功能,均能够作为DAMO微生物的富集培养装置。 ②MSALR具有最高的容积氮去除速率和最大的DAMO活性,因此是三者中最优的富集培养DAMO微生物的反应装置。 ③从甲烷传质和微生物持留能力两种因素考虑,前者是DAMO微生物富集培养过程中更为关键的限制因素。 【关键词】：反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO) 富集培养 接种物 培养基 反应器构型
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 致谢6-7
• 序言7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-16
• 第一章 文献综述16-34
• 引言16-17
• 1.1 SAMO研究进展17-24
• 1.1.1 SAMO过程的研究历史17-18
• 1.1.2 SAMO发生机理18-22
• 1.1.3 参与SAMO过程的微生物22-24
• 1.1.4 目前存在的问题24
• 1.2 DAMO研究进展24-29
• 1.2.1 DAMO过程的研究历史24-25
• 1.2.2 DAMO发生机理25-27
• 1.2.3 DAMO参与微生物27-28
• 1.2.4 DAMO富集培养物28-29
• 1.3 本课题研究的意义与内容29-34
• 1.3.1 研究意义29-31
• 1.3.2 研究内容31-32
• 1.3.3 技术路线32-34
• 第二章 不同接种物富集培养DAMO微生物的比较研究34-48
• 引言34
• 2.1 材料与方法34-39
• 2.1.1 接种物34-35
• 2.1.2 培养基35
• 2.1.3 富集培养35-36
• 2.1.4 活性测试36
• 2.1.5 DNA抽提与PCR扩增36-37
• 2.1.6 克隆与测序37
• 2.1.7 16S rRNA基因与pmoA基因系统发育分析37-38
• 2.1.8 实时荧光定量PCR(qPCR)38
• 2.1.9 荧光原位杂交(FISH)38-39
• 2.1.10 分析方法39
• 2.2 结果39-44
• 2.2.1 NC10门细菌的富集39-41
• 2.2.2 富集培养物DAMO活性测试41
• 2.2.3 16S rRNA基因与pmoA基因系统发育分析41-43
• 2.2.4 定量分析43-44
• 2.2.5 FISH44
• 2.3 讨论44-47
• 2.4 结论47-48
• 第三章 不同培养基对DAMO微生物富集培养的比较研究48-58
• 引言48
• 3.1 材料与方法48-50
• 3.1.1 接种物48-49
• 3.1.2 培养基49
• 3.1.3 富集培养49
• 3.1.4 活性测试49
• 3.1.5 DNA抽提与PCR扩增49-50
• 3.1.6 克隆与测序50
• 3.1.7 16S rRNA基因与pmoA基因系统发育分析50
• 3.1.8 qPCR50
• 3.1.9 FISH50
• 3.1.10 分析方法50
• 3.2 结果50-55
• 3.2.1 富集培养50-51
• 3.2.2 活性测试51-52
• 3.2.3 16S rRNA基因和pmoA基因系统发育分析52-54
• 3.2.4 qPCR54
• 3.2.5 FISH54-55
• 3.3 讨论55-57
• 3.4 结论57-58
• 第四章 不同构型反应器富集培养DAMO微生物的比较研究58-70
• 引言58
• 4.1 材料与方法58-61
• 4.1.1 接种物58-59
• 4.1.2 实验装置59-60
• 4.1.3 培养基60
• 4.1.4 DAMO活性测试60
• 4.1.5 DNA抽提与PCR扩增60
• 4.1.6 克隆与测序60-61
• 4.1.7 NC10门细菌数量分析61
• 4.1.8 16S rRNA基因和pmoA基因系统发育分析61
• 4.1.9 FISH61
• 4.1.10 分析方法61
• 4.2 结果61-66
• 4.2.1 反应器容积氮去除情况61-62
• 4.2.2 DAMO活性62-64
• 4.2.3 NC10门细菌数量64
• 4.2.4 16S rRNA基因与pmoA基因系统发育分析64-66
• 4.2.5 FISH66
• 4.3 讨论66-68
• 4.4 结论68-70
• 第五章 结论与展望70-72
• 5.1 主要结论70-71
• 5.2 创新点71
• 5.3 建议和展望71-72
• 参考文献72-82
• 个人简历82-83
• 硕士阶段取得的科研成果83-85

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