氮素对反硝化型甲烷厌氧氧化过程抑制机制研究

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在厌氧条件下,反硝化型甲烷厌氧氧化过程(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,简称DAMO),以甲烷为电子供体,以硝酸氮或亚硝酸氮为电子受体,可同时实现甲烷氧化和废水脱氮。目前,DAMO的研究还处于实验室理论研究的初级阶段,影响DAMO过程的环境因素,系统运行工艺参数及反应代谢途径等均未探明。为推进DAMO过程的理论研究进程,必需明确各种运行条件(如底物、环境因素等)对系统运行过程的作用机制,以快速有效确定系统最佳运行参数,以期获得高效稳定运行的DAMO系统,有利于更进一步深入的研究该过程机理。本课题研究以经过1000多天富集培养获得的两种DAMO微生物体系为对象,从短期抑制和长期抑制两个方面研究亚硝酸氮和氨氮对DAMO细菌为优势菌种的系统及DAMO细菌和古菌共存系统的影响,从宏观抑制效应和微观抑制效应两个层面,综合考察两种微生物的应激性、耐受性。并在不同pH体系下,探索其限制性抑制因子。试验结果表明,在宏观抑制效应方面,高浓度的亚硝酸氮和氨氮对两种DAMO微生物体系的脱氮性能均有抑制作用,且抑制效应随亚硝酸氮和氨氮浓度的增加、抑制时间的延长而增大,在短期抑制条件下,当亚硝酸氮浓度低于100mgN/L时,氨氮浓度低于250mgN/L时,抑制剂并不会对系统造成抑制效应,当亚硝酸氮浓度为200mg N/L,氨氮浓度为500mg N/L时,两种DAMO微生物体系的脱氮性能才出现明显抑制,当亚硝酸氮浓度增加到800 mg N/L,氨氮浓度增加到1250 mg N/L时,基本丧失脱氮性能。然而在长期抑制条件下,当亚硝酸氮浓度增加到500 mg N/L,氨氮浓度增加到1000 mg N/L时,脱氮性能就已经被完全抑制。相比于活性污泥中其他微生物,DAMO微生物对亚硝酸氮和氨氮有较强的耐受性。另外,通过在不同pH条件下对比抑制剂抑制效果的差异,发现在酸性条件下,真正起抑制作用的是亚硝酸氮的质子化形式FNA,在中性及碱性条件下,真正起抑制作用的是离子化的NO2-。而氨氮的情况则恰恰相反,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA,在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH4+。此外,本课题从形态特性以及群落结构两方面揭示了其微观抑制效应。在短期抑制之后,两种DAMO体系中的微生物出现了明显的皱缩现象,微生物分泌大量EPS,以抵抗外界的不利环境。以DAMO细菌为优势菌种的体系中在抑制之后丝状菌大量繁殖,球状菌和短杆状菌则大量减少,污泥结构均变得松散,污泥出现明显的膨胀现象。但在DAMO细菌古菌共存体系中未出现这种现象。利用高通量测序技术发现,在长期抑制之后,两种DAMO微生物体系的物种丰度、多样性均会出现明显下降,群落结构也会发生较大改变。对以DAMO细菌为优势菌种的富集培养物而言,Methylomonas(甲基单胞菌属)的大量减少可能是脱氮速率下降的内部原因,而DAMO细菌古菌共存系统中亚硝化螺旋菌属(Nitrospirae)的减少可能是脱氮速率下降的内部原因。
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