论文部分内容阅读
污水生物处理技术是指利用生物的生理特性和代谢作用吸收或降解污水中污染物。其中，活性污泥或生物膜中的细菌群落是污水生物处理系统的核心，主要负责去除污水中的有机物和氮。因此，研究污水处理系统中细菌群落结构和功能，对于改进处理工艺和提高处理效率至关重要。但是现有的研究大部分在DNA水平对污水处理系统中好氧池或者厌氧池的细菌群落进行研究，无法准确提供细菌群落代谢活性信息。同时，生物脱氮是污水生物处理技术中的重要环节，但传统的生物脱氮技术脱氮效率较低且运行成本较高。异养硝化-好氧反硝化细菌能够在同一时间和空间内完成硝化和反硝化作用，它的出现为生物脱氮提供了新的思路。本文结合变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术和Illumina高通量测序技术在DNA和RNA水平对皮革废水生物处理过程中细菌群落结构、多样性、功能及代谢活性进行了研究，从活性污泥中筛选出9株高效异养硝化-好氧反硝化细菌，探究了其中菌株A2的脱氮特性及机理，并将其用于强化脱氮处理，评估其在实际应用的潜能。主要研究结果如下：
(1)在皮革生产含脂废水的生物处理过程中，污水化学需氧量(COD)随着处理流程的进行而逐步降低，且整个污水处理工艺运行稳定，COD和氨氮的去除效率分别为96.22%和99.64%，出水COD和氨氮均达到国家一级排放标准。相比较于含脂废水，由于后续缺氧/好氧/好氧(A/O/O)工艺的碳源不足，导致综合废水的COD和氨氮去除效率只有88.23%和88.95%。
(2)PCR-DGGE和Illumina高通量测序结果表明在整个污水生物处理的不同操作单元中，变形菌门(Proteobacteria)都是主要的绝对优势微生物，而其他的优势微生物，如拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和[Thermi]等，但其在不同处理单元的丰度存在一定差异。荧光定量PCR结果表明污水处理系统中微生物的16SrRNA基因拷贝数维持在4.22×108copies/mL-4.93×1011copies/mL，其中缺氧池和好氧池中16SrRNA基因拷贝数最高，进一步证明了原核微生物在污水生物处理过程中，尤其是核心单元的重要作用。
(3)基于DNA和RNA的Illumina高通量测序结果表明活性污泥中细菌群落多样性在DNA和RNA水平上没有显著性差异(P＞0.61)，但其群落结构却显著不同(F=13.14，P＜0.001)。变形菌门、厚壁菌门和绿弯菌门这3类菌群是引起DNA水平和RNA水平细菌群落结构差异的主要类群。其中，变形菌门中的Nitrosomonas和Nitrosococcus只在RNA水平检测到。通过对活性污泥中细菌群落的代谢功能和活性分析，发现活性污泥中的细菌群落功能主要集中在代谢和膜转运方面。多重置换检验结果表明，活性污泥中的细菌群落功能在DNA和RNA上存在显著性差异(F=3.14，P=0.0142)，这说明基于DNA的细菌群落并不都具有代谢活性。细菌群落代谢活性分析结果表明变形菌门和厚壁菌门在整个污水处理过程中保持着一定程度的代谢活性，而大部分细菌群落均处于代谢不活跃或者休眠状态，这说明变形菌门和厚壁菌门是整个污水处理系统中的主要功能微生物。荧光定量PCR结果表明，活性污泥中细菌群落在调节池和氧化沟具有较高的代谢活性，而在缺氧池、氧化池和二级氧化池中的代谢活性迅速下降。相关性分析结果表明，COD和氨氮是影响细菌群落结构的主要因素。变形菌门和厚壁菌门都与COD和氨氮浓度呈正相关，这表明这两类菌群在COD和氨氮降解中发挥着重要作用。
(4)以高通量测序数据为参考，从活性污泥中分离出9株高效异养硝化-好氧反硝化细菌，16SrDNA鉴定结果表明这9株细菌均属于变形菌门中的假单胞菌属。其中，假单胞菌A2的最佳脱氮条件为：pH为7，温度为30℃，碳氮比为10∶1，转数为160rpm，碳源为丁二酸钠。该菌株在最佳条件下的氨氮和硝态氮去除率分别为97.99%和100%，在异养硝化过程中没有亚硝酸盐累积，有少量硝酸盐生成，而在硝态氮降解过程中却检测到亚硝酸盐累积。假单胞菌A2在氨氮-亚硝态氮-硝态氮混合培养基中优先利用氨氮同时进行硝化和反硝化作用，随后依次利用亚硝态氮和硝态氮进行好氧反硝化作用。亚硝态氮能够抑制假单胞菌A2的异养硝化作用，而硝态氮则能够提高该菌株好氧反硝化速率，且能抵消亚硝态氮对异养硝化反应的抑制作用。全基因组测序结果发现假单胞菌A2含有编码氨单加氧酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶的基因。结合菌株A2对不同氮源的利用情况，表明该菌株可能存在两种脱氮方式，一种是通过氨氧化作用将氨氮转化成亚硝态氮和硝态氮，再经反硝化作用完成脱氮，另一种是利用羟胺作为中间产物直接脱氮。
(5)将假单胞菌A2用海藻酸钠和聚丙烯酰胺固定化后添加至序批式反应器(SBR)中，能够明显提高系统COD和氨氮去除能力。强化实验组的氨氮去除效率在第20个循环后进入稳定阶段，而对照组一直处于波动状态，这表明固定化假单胞菌A2能够提高SBR系统的稳定性。经过30个循环处理后，强化实验组的氨氮去除效率比对照组提高了10.87%，出水COD和氨氮分别稳定在130mg/L和20mg/L左右，达到国家二级排放标准。这表明固定化假单胞菌A2在生物强化脱氮工艺中具有很好的应用前景。
(1)在皮革生产含脂废水的生物处理过程中，污水化学需氧量(COD)随着处理流程的进行而逐步降低，且整个污水处理工艺运行稳定，COD和氨氮的去除效率分别为96.22%和99.64%，出水COD和氨氮均达到国家一级排放标准。相比较于含脂废水，由于后续缺氧/好氧/好氧(A/O/O)工艺的碳源不足，导致综合废水的COD和氨氮去除效率只有88.23%和88.95%。
(2)PCR-DGGE和Illumina高通量测序结果表明在整个污水生物处理的不同操作单元中，变形菌门(Proteobacteria)都是主要的绝对优势微生物，而其他的优势微生物，如拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和[Thermi]等，但其在不同处理单元的丰度存在一定差异。荧光定量PCR结果表明污水处理系统中微生物的16SrRNA基因拷贝数维持在4.22×108copies/mL-4.93×1011copies/mL，其中缺氧池和好氧池中16SrRNA基因拷贝数最高，进一步证明了原核微生物在污水生物处理过程中，尤其是核心单元的重要作用。
(3)基于DNA和RNA的Illumina高通量测序结果表明活性污泥中细菌群落多样性在DNA和RNA水平上没有显著性差异(P＞0.61)，但其群落结构却显著不同(F=13.14，P＜0.001)。变形菌门、厚壁菌门和绿弯菌门这3类菌群是引起DNA水平和RNA水平细菌群落结构差异的主要类群。其中，变形菌门中的Nitrosomonas和Nitrosococcus只在RNA水平检测到。通过对活性污泥中细菌群落的代谢功能和活性分析，发现活性污泥中的细菌群落功能主要集中在代谢和膜转运方面。多重置换检验结果表明，活性污泥中的细菌群落功能在DNA和RNA上存在显著性差异(F=3.14，P=0.0142)，这说明基于DNA的细菌群落并不都具有代谢活性。细菌群落代谢活性分析结果表明变形菌门和厚壁菌门在整个污水处理过程中保持着一定程度的代谢活性，而大部分细菌群落均处于代谢不活跃或者休眠状态，这说明变形菌门和厚壁菌门是整个污水处理系统中的主要功能微生物。荧光定量PCR结果表明，活性污泥中细菌群落在调节池和氧化沟具有较高的代谢活性，而在缺氧池、氧化池和二级氧化池中的代谢活性迅速下降。相关性分析结果表明，COD和氨氮是影响细菌群落结构的主要因素。变形菌门和厚壁菌门都与COD和氨氮浓度呈正相关，这表明这两类菌群在COD和氨氮降解中发挥着重要作用。
(4)以高通量测序数据为参考，从活性污泥中分离出9株高效异养硝化-好氧反硝化细菌，16SrDNA鉴定结果表明这9株细菌均属于变形菌门中的假单胞菌属。其中，假单胞菌A2的最佳脱氮条件为：pH为7，温度为30℃，碳氮比为10∶1，转数为160rpm，碳源为丁二酸钠。该菌株在最佳条件下的氨氮和硝态氮去除率分别为97.99%和100%，在异养硝化过程中没有亚硝酸盐累积，有少量硝酸盐生成，而在硝态氮降解过程中却检测到亚硝酸盐累积。假单胞菌A2在氨氮-亚硝态氮-硝态氮混合培养基中优先利用氨氮同时进行硝化和反硝化作用，随后依次利用亚硝态氮和硝态氮进行好氧反硝化作用。亚硝态氮能够抑制假单胞菌A2的异养硝化作用，而硝态氮则能够提高该菌株好氧反硝化速率，且能抵消亚硝态氮对异养硝化反应的抑制作用。全基因组测序结果发现假单胞菌A2含有编码氨单加氧酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶的基因。结合菌株A2对不同氮源的利用情况，表明该菌株可能存在两种脱氮方式，一种是通过氨氧化作用将氨氮转化成亚硝态氮和硝态氮，再经反硝化作用完成脱氮，另一种是利用羟胺作为中间产物直接脱氮。
(5)将假单胞菌A2用海藻酸钠和聚丙烯酰胺固定化后添加至序批式反应器(SBR)中，能够明显提高系统COD和氨氮去除能力。强化实验组的氨氮去除效率在第20个循环后进入稳定阶段，而对照组一直处于波动状态，这表明固定化假单胞菌A2能够提高SBR系统的稳定性。经过30个循环处理后，强化实验组的氨氮去除效率比对照组提高了10.87%，出水COD和氨氮分别稳定在130mg/L和20mg/L左右，达到国家二级排放标准。这表明固定化假单胞菌A2在生物强化脱氮工艺中具有很好的应用前景。