甲烷化与短程硝化耦合工艺及PAH降解反应器构建过程中微生物群落和功能的进化研究

【摘要】：本论文追踪研究了间歇运行式膨胀颗粒污泥床反应器（SEGSB）与实现短程硝化的SBR反应器集成（SEGSB-SBR）构建过程中以及以菲、芘为唯一碳源驯化活性污泥的SBR反应器构建过程中不同时期的微生物群落和功能的动态进化过程，为阐明系统废水处理机制和提高废水处理效率提供理论依据。研究成果主要包括如下几方面： （1）短程硝化SBR反应器的成功构建和与氮转化相关功能基因的定性定量研究：SBR反应器控制DO在0.5-1mg/L，在常温、低COD条件下实现低氨氮废水的短程硝化作用，系统的NH_4~+-N氧化率为87.0%、NAR为66.8%；对成功实现短程硝化的SBR反应器中氮转化的功能基因构建克隆文库并进行实时定量分析：结果表明AOB amoA基因和NOB nxrB基因序列均具有较高的多样性，amoA基因序列分属于亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属，大部分属于亚硝化球菌属。nxrB基因序列集中于硝化细菌属的Nitrobacterhamburgensis、Nitrobacter winogradskyi、Nitrobacter alkalicus以及Nitrobacter vulgaris四个种。amoA基因的的定量数据高于nxrB基因，在细菌中占较大比例，正因为amoA基因的优势从而造成了NO2-的积累，证实了SBR反应器成功实现了短程硝化作用。 （2）SEGSB反应器的构建和SEGSB-SBR耦合工艺的成功运行：SEGSB反应器控DO在0.5mg/L以下，在温度30℃～35℃，进水NH_4~+-N为80mg/L，COD从500mg/L增至4500mg/L条件下成功富集了产甲烷菌，系统COD去除率达93.98%， NH_4~+-N去除率为10.26%-13.65%；将稳定运行的短程硝化SBR反应器和甲烷化SEGSB反应器进行耦合集成，形成具有甲烷化、反硝化和ANAMMOX功能的集成工艺。在进水COD为4500mg/L，NH_4~+-N为90mg/L-170mg/L，内部体积交换比在20%-40%条件下耦合反应器成功运行。系统NH_4~+-N去除率为69.11%-71.45%， TN浓度为去除率为68.64%-71.07%，整个过程中短程硝化SBR反应器运行良好，氨氧化率为91.04%-95.62%。 （3）集成反应系统中微生物群落的动力学变化研究：运用高通量测序及RT-PCR技术对SEGSB及SEGSB-SBR工艺中微生物群落的动力学进化进行追踪研究，结果表明变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（chloroflexi）一直是优势菌，β-变形菌纲（Betaproteobacteria）、δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）在变形菌中一直存在并占优势。古菌全部为广古菌门（Euryarchaeota）的产甲烷菌（Methanogens），结构单一。定量数据表明，在整个运行过程中细菌的数量占优势，古菌的数量发生了较大的变化，出现了先增加后降低的趋势。古菌的多样性明显少于细菌，说明细菌具有巨大的功能冗余保证系统稳定运行。 （4）降解菲、芘的SBR反应器的构建、运行及PAH降解基因的动力学变化研究：SBR反应器控制DO在5-8，在室温条件下，控制进水COD浓度145.83mg/l-151.44mg/l，菲或芘浓度50mg/L，反应器运行过程中菲驯化阶段出水COD去除率为17.57%-76.26%，菲的去除率为39.74%-92.40%，pH5.13-9.43。芘驯化阶段COD去除率为34.44%-78.74%，芘的去除率为74.42%-90.07%，pH为4.10-7.41；运用RT-PCR技术研究了反应器构建过程中细菌数量与PAH降解基因的变化趋势，结果表明在细菌16S rRNA基因数呈增加趋势,从1010增加到1012，同时PAH-RHDα-GN基因与PAH-RHDα-GP基因的数量也呈现增加趋势，且PAH-RHDα-GN基因占优势；构建了菲、芘稳定降解时期PAH降解基因的克隆文库，基因分析结果表明，功能基因PAH-RHDα具有较高的多样性，其功能类群主要分属于分歧杆菌属等11个属，假单胞菌是革兰氏阴性菌中的优势菌群，分歧杆菌是nidA基因的主要拥有者，其数量在B时期呈现了显著的增加这为成功驯化具有PAH降解功能的微生物提供了理论依据。 【关键词】：高通量测序 短程硝化作用 氨氧化菌 亚硝酸盐氧化菌 功能基因 real-time PCR
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703;X172
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 前言12-28
• 1.1 水污染现状12-13
• 1.2 水污染治理工艺及其进展13-16
• 1.2.1 氨氮废水处理工艺及进展13-15
• 1.2.2 甲烷反硝化研究进展15
• 1.2.3 PAH 降解研究进展15-16
• 1.3 脱氮及 PAH 降解过程中所涉及到的功能微生物类群16-20
• 1.3.1 脱氮微生物类群16-18
• 1.3.2 甲烷化微生物类群18-19
• 1.3.3 PAH 降解微生物类群19-20
• 1.4 脱氮及 PAH 降解微生物功能基因研究20-24
• 1.4.1 脱氮微生物功能基因研究21-22
• 1.4.2 PAH 降解微生物功能基因研究进展22-24
• 1.5 分子技术及其应用在微生物群落演替方面的研究进展24-26
• 1.6 本研究的目的意义26-28
• 第二章 SBR 短程硝化工艺中功能微生物群落分析28-42
• 2.1 前言28
• 2.2 材料与方法28-31
• 2.2.1 SBR 反应器的运行28-29
• 2.2.2 样品来源29
• 2.2.3 活性污泥 DNA 的提取29
• 2.2.4 功能基因的选择29-30
• 2.2.5 克隆及测序30-31
• 2.2.6 测序结果及分析方法31
• 2.2.7 功能基因的定量分析31
• 2.3 结果与讨论31-41
• 2.3.1 SBR 反应器的运行效果31-33
• 2.3.2 SBR 反应器短程硝化过程中氨单加氧酶基因多样性分析33-36
• 2.3.3 SBR 反应器短程硝化过程中亚硝酸盐氧化还原酶基因多样性分析36-39
• 2.3.4 SBR 反应器中功能基因的定量研究39-41
• 2.4 小结41-42
• 第三章 基于 454 高通量测序对 SEGSB 工艺及耦合 SEGSB-SBR 工艺中微生物群落的分析42-64
• 3.1 前言42
• 3.2 材料与方法42-45
• 3.2.1 SEGSB、SEGSB-SBR 反应器的运行42-44
• 3.2.2 样品来源44
• 3.2.3 活性污泥 DNA 的提取[191]44
• 3.2.4 高通量测序引物及条件44-45
• 3.2.5 细菌、古菌的定量分析45
• 3.3 结果与讨论45-61
• 3.3.1 SEGSB 反应器甲烷化运行效果45-46
• 3.3.2 SEGSB-SBR 反应器耦合甲烷化与短程硝化运行效果46-47
• 3.3.3 SEGSB 反应器与耦合 SEGSB-SBR 工艺中细菌、古菌群落结构及进化分析47-50
• 3.3.4 SEGSB 反应器与耦合 SEGSB-SBR 工艺中细菌、古菌群落组成的系统发育分析50-60
• 3.3.5 SEGSB 反应器与耦合 SEGSB-SBR 工艺中细菌、古菌丰度变化的动力学分析60-61
• 3.4 小结61-64
• 第四章 菲、芘降解过程中功能微生物群落演替64-80
• 4.1 前言64
• 4.2 材料与方法64-67
• 4.2.1 利用 SBR 反应器对活性污泥进行驯化64-65
• 4.2.2 COD、pH 的测定与分析65
• 4.2.3 高效液相法对污泥驯化过程中菲或芘浓度的测定及分析65-66
• 4.2.4 16SrRNA 及 PAH-RHDα基因动力学进化分析66
• 4.2.5 PAH 环羟化双加氧酶(PAH-RHDα)基因的多样性分析66-67
• 4.3 结果与讨论67-79
• 4.3.1 菲/芘降解 SBR 反应器的驯化及运行运行效果67-69
• 4.3.2 菲/芘降解 SBR 反应器中细菌 16SrRNA 及 PAH-RHDα基因丰度变化的动力学分析69-72
• 4.3.3 菲/芘降解 SBR 反应器中 PAH 环羟化双加氧酶基因的系统发育分析72-79
• 4.4 小结79-80
• 第五章 结论与展望80-84
• 5.1 结论80-81
• 5.2 研究展望81-84
• 参考文献84-96
• 致谢96-97
• 攻读学位期间发表的学位论文目录97-98

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