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厌氧氨氧化微生物学研究

发布人:杜康集团 来源:杜康控股酒业有限公司 (http://www.cu38.com) 更新日期: 2018-11-15 11:08:55



厌氧氨氧化微生物学研究

厌氧氨氧化微生物学研究


针对厌氧氨氧化菌分离困难这一现状,本课题循着“获得厌氧氨氧化菌混培物,研究混培物性状;获得厌氧氨氧化菌纯培物,研究纯培物性状”的技术路线,对厌氧氨氧化的微生物学性能进行了系统的研究,结果总结如下:
   1)以垃圾填埋场渗滤液处理厂污泥(W1)、城市污水处理厂污泥(W2)以及味精废水处理厂污泥(W3)作为接种物,以经处理的味精废水作为培养液,经过400多天的富集,都获得了显现厌氧氨氧化活性的富集培养物,表明三种污泥都可作为厌氧氨氧化反应器的接种污泥。
   以表观最大厌氧氨氧化速率(Vmax)作为指标,W3富集培养物的厌氧氨氧化活性(5.2... 针对厌氧氨氧化菌分离困难这一现状,本课题循着“获得厌氧氨氧化菌混培物,研究混培物性状;获得厌氧氨氧化菌纯培物,研究纯培物性状”的技术路线,对厌氧氨氧化的微生物学性能进行了系统的研究,结果总结如下:
   1)以垃圾填埋场渗滤液处理厂污泥(W1)、城市污水处理厂污泥(W2)以及味精废水处理厂污泥(W3)作为接种物,以经处理的味精废水作为培养液,经过400多天的富集,都获得了显现厌氧氨氧化活性的富集培养物,表明三种污泥都可作为厌氧氨氧化反应器的接种污泥。
   以表观最大厌氧氨氧化速率(Vmax)作为指标,W3富集培养物的厌氧氨氧化活性(5.26 mg/L.h)最高,W1富集培养物(4.20 mg/L.h)次之,W2富集培养物(2.83 mg/L.h)最低。以污泥颗粒的大小,菌胶团的结构,污泥的沉降速度以及污泥体积指数作为指标,W3污泥最佳,W2污泥次之,W1污泥最差。以VS/TS作为指标,富集前后W1污泥的质量基本保持不变;W2污泥和W3污泥的质量都明显提高,其中W3污泥的质量提高最多,W2污泥次之,W1污泥最少。从三种接种污泥均可成功定向富集厌氧氨氧化菌,其中以W3污泥富集的厌氧氨氧化菌数量最多,W1污泥和W2污泥的厌氧氨氧化菌数量比较接近。富集以后,三种污泥的种群数量减少,但在DGGE胶上都出现了厌氧氨氧化菌的特异性条带,其中以W3污泥的条带最亮,W2污泥次之,W1污泥最弱,表明富集以后W3污泥的厌氧氨氧化菌丰度最高,W2次之,W1最小。
   2)以硝化污泥作为接种污泥,用颗粒污泥床反应器、固定床生物膜反应器和厌氧序批式反应器富集厌氧氨氧化菌,都可成功积累厌氧氨氧化菌混培物,完成厌氧氨氧化启动。其中,厌氧氨氧化序批式生物反应器积累厌氧氨氧化混培物最快,启动时间最短(约30 d),容积总氮去除负荷最高(约2047.00 mq/L.d);固定床生物膜反应器积累混培物的速度次之,启动时间约40 d,容积总氮去除负荷为2027.27 mg/L.d;颗粒污泥床反应器积累混培物的速度最慢,启动时间最长(约60 d),容积总氮去除负荷最低(约1986.9 mq/L.d)。
   三种反应器的运行稳定性存在一定差异。厌氧序批式反应器对基质浓度持续变化的耐受能力最弱,生物膜反应器次之,颗粒污泥床反应器最强。反之,厌氧序批式反应器对水力停留时间持续变化的耐受能力最强,生物膜反应器次之,颗粒污泥床反应器最弱。在三个反应器中,颗粒污泥床对基质负荷持续变化的敏感性低于水力负荷持续变化,操作中应注意控制进水流量;生物膜反应器和厌氧序批式反应器能耐受水力负荷的持续变化,但对浓度负荷持续变化较为敏感,操作中应注意控制进水浓度。
   对于颗粒污泥床反应器和生物膜反应器,当进水氨浓度上升至336 mg/L以后,出水NO3--N浓度呈下降趋势,而对于序批式反应器,出水NO3--N浓度波动不大,并保持在较高水平,若以硝酸盐产量估算厌氧氨氧化菌产量,则表明在进水氨氮浓度较高的情况下,序批式反应器比污泥床反应器和生物膜反应器更有利于厌氧氨氧化菌的生长和菌体积累。
   3)将硝化污泥接种于厌氧序批式反应器中,经历延滞阶段、生长阶段和稳定阶段,可形成厌氧氨氧化颗粒污泥。在污泥颗粒化过程中,污泥外观发生明显变化,污泥表面孔隙增加,密实度下降,颜色从土黄色变成鲜艳的橙红色。污泥理化性状也有明显改变:污泥颗粒明显增大,平均粒径从1.20 mm增加到3.69mm,平均湿密度从1.04 g/mL增加到1.07 g/mL,平均沉降速度从107.68 m/h增加到118.49 m/h。颗粒污泥的形成使污泥抗水力冲击的能力明显增强,随出水流失的污泥量较少(TSS<0.03 g/L),表明厌氧氨氧化颗粒污泥的形成使反应器内持留高浓度污泥成为可能。
   在厌氧氨氧化污泥颗粒化过程中,污泥的微生物组成从以丝状菌和球菌为主转变成以不规则形状的厌氧氨氧化菌为主。三大菌群计数结合PCR-DGGE试验证实,在污泥颗粒化过程中厌氧氨氧化菌得到有效富集,反应器内总氮去除活性增加51.7倍。
   研究了营养因子和理化因素对厌氧氨氧化污泥颗粒化的影响。获得的厌氧氨氧化颗粒污泥的最大氨氧化速率为6.08 mg/L.h,最大亚硝酸盐转化速率为6.32mg/L.h。厌氧氨氧化菌混培物利用氨的Km值为130.63 mg/L,利用亚硝酸盐的Km值为51.30 mg/L。氨自身的抑制常数为478.69 mg/L,实际取得最大厌氧氨氧化速率的氨浓度为109.50 mg/L。亚硝酸盐对厌氧氨氧化的抑制常数为345.44mg/L。厌氧氨氧化的最适pH为7.61,最适温度为30℃。
   4)采用系统稀释和平板划线分离的方法,获得了7株具有亚硝化活性的菌株,其中一株是放线菌,经鉴定归于链霉菌属的比基尼链霉菌,因时间关系未试验该菌的厌氧氨氧化活性。选取N1菌株作为研究对象,研究了厌氧氨氧化活性。N1菌株有鞭毛,能够运动;菌体呈椭球形,大小为0.8~1.2×1.0~1.5μm;菌落呈白色,圆形,直径较小(1 mm左右)。革兰氏染色反应为阴性。N1菌株的内膜折叠成平囊状,有规则地分布于细胞质外围,属于典型的Nitrosomonas属内膜特征。从形态、大小和内膜排列、G+C%含量、16S rDNA序列测定和系统发育分析表明,N1菌株属于Nitrosomonas halophila。
   N1菌株是典型的亚硝化细菌,在好氧下该菌株的最大氨氧化速率为9.83mg/L.d,最适pH为8.47。在厌氧下该菌株具有厌氧氨氧化活性,最大厌氧氨氧化速率是0.77 mg/L.d,氨和亚硝酸盐以1:1.21的比例转化,但不能生长。
   5)从厌氧氨氧化富集培养物中分离获得了3株具有厌氧氨氧化活性的反硝化菌,编号为D1,D2和D3,以D3菌株的厌氧氨氧化活性最强。
   D3菌株为杆菌,0.4~0.6×1.4~1.8μm,单极生鞭毛。菌落乳白色,圆形,菌落油滴状,直径2-3 mm。革兰氏染色反应为阴性。D3菌株的形态观察结果、生理生化试验结果、BitekGN系统测试结果、Biolog碳源利用微平板鉴定系统的鉴定结果、菌株G+C mol%含量测定结果和系统发育分析结果,一致将D3菌株归入假单胞菌属,门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)。
   在普通细胞培养基上生长时D3菌株的比生长速率为0.342/h,代时为2.03h,最适生长pH为8.11,最适生长温度为34.5℃;在反硝化培养基上生长时D3菌株的比生长速率为0.148/h,代时为4.69 h,最适生长pH为7.81,最适生长温度为34.5℃。D3菌株具有明显的反硝化活性,最大硝酸盐还原速率为14.96mg/L.d。D3菌株具有明显的厌氧氨氧化活性,在厌氧下同时消耗氨氮和硝酸盐,消耗的比值为1:1.91。
   研究了D3菌株细胞结构与厌氧氨氧化活性的关系,发现该结构与厌氧氨氧化活性密切相关,随厌氧氨氧化活性的出现而出现,随厌氧氨氧化活性的消失而消失。
   6)采用逐级稀释和滚管法分离获得了4株具有厌氧氨氧化活性的菌株,编号为P1,P2,P3和P4,选取厌氧氨氧化活性最强的P2菌株进行了进一步的研究。
   P2菌株形态不规则,滚管上生长的菌落呈圆形,直径小于0.5 mm,菌落近无色透明。菌体生长缓慢,一般培养时间7-14天。革兰氏染色反应阴性。从P2菌株的细胞形态、细胞结构、16SrDNA序列测定和系统发育分析表明,P2菌株是浮霉状菌中的厌氧氨氧化菌,该菌株的分类地位有待进一步研究。
   P2菌株具有明显的厌氧氨氧化活性,添加葡萄糖和酵母膏可以促进P2菌株的厌氧氨氧化活性,但添加污泥压滤液会降低该菌的厌氧氨氧化活性。

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