论文部分内容阅读
亚硝酸盐氧化菌(NOB)在自然界氮素循环过程中扮演着极其重要的角色。尤其在富营养化水体中(如养殖水体),亚硝酸盐的过度积累会对水生动物产生毒害,而这种积累一般由亚硝酸盐氧化菌通过硝化反应得以解除。由于众多环境因子的影响,亚硝酸盐氧化菌在硝化反应过程中表现出一定的不稳定性和不可预知性,主要表现为亚硝酸盐氧化菌氧化性能的不稳定性和氧化活性衰减的不可预知性。这些问题是解决自然界氮素平衡及亚硝酸盐氧化菌生物工程应用的关键。此外,亚硝酸盐氧化菌氧化速率低和自身复杂的生态生理学特征,如生长代时过长等,也限制了亚硝酸盐氧化菌的研究及应用。
本论文针对上述问题,研究、探讨了高效亚硝酸盐氧化菌的筛选鉴定、氧化和衰减特性,及其氧化动力学、衰减动力学与应用效果等相关问题。主要结果如下：
1.由富营养化水体(包括淡水和海水)筛选出两株亚硝酸盐氧化菌,分别编号为NOB-0113和NOB-0115。经形态鉴定、生理生化鉴定和分子鉴定(包括16S rDNA和NorB基因序列鉴定),两株菌均属于硝化杆菌属,且其与维氏硝化杆菌种的相似度达到94％以上。在此基础上,研究和确立了荧光原位杂交(FISH)技术在亚硝酸盐氧化菌检测上的应用。
2.本论文对影响亚硝酸盐氧化菌氧化速率的培养基组分和培养条件进行了研究,获得了筛选菌株(NOB-0113和NOB-0115)的理论最大氧化速率和动力学方程。在试验实施过程中采用了序贯试验设计(包括:Plackett-Burman、析因设计、最速爬坡法和响应面法),得到NOB-0113氧化亚硝酸盐的最佳培养基配方为:NaHCO3 1.86 g/L、NaNO2 2.04 g/L、Na2CO3,0.2 g/L、NaCl 0.2 g/L、KH2PO4 0.1 g/L、MgSO4·7H2O 0.1 g/L和FeSO4·7H2O 0.01 g/L;在此条件下,其最大氧化速率比初始提高了32.6％,达到860±8 mgNO2-N/gMLSS·d。而NOB-0115氧化亚硝酸盐的最佳培养基配方为:NaHCO3 2.00 g/L、FeSO4·7H2O 0.03 g/L、NaCl0.34 g/L、KH2PO4 0.05 g/L、MgSO4·7H2O 0.05 g/L、Na2CO3 0.37g/L和NaNO2 2.36g/L;在此条件下,其最大亚硝酸盐氧化速率为907±7 mgNO2--N/gMLSS·d。同时,构建了NOB-0113和NOB-0115的氧化动力学方程。
3.针对亚硝酸盐氧化菌氧化活性易衰减的现象,在本论文中对影响亚硝酸盐氧化菌氧化活性衰减的各种环境因素和衰减动力学进行了研究。结果显示,亚硝酸盐氧化菌在缺氧无机环境下氧化活性快速衰减的主要原因是自身氧化活性的退化,而非菌体量的减少。其中,在缺氧无机环境中,温度、pH、离子强度和渗透压调节剂等对亚硝酸盐氧化菌的氧化活性的影响较大。研究过程中,亚硝酸盐氧化菌的缺氧衰减速率在低温(4℃)下由0.25减至0.015,半衰期延长至55 d,其衰减过程符合一阶衰减指数方程。但部分有机物(如甘油和酵母膏等)对亚硝酸盐氧化菌氧化速率的影响更大。在30℃缺氧环境中,补加有机物后亚硝酸盐氧化菌93 d后,其亚硝酸盐氧化速率保持在85％以上。但其过程不符合一阶衰减指数方程,因此借用3层BP神经网络构建了其在30℃缺氧有机环境下的衰减动力学方程。由亚硝酸盐氧化菌衰减试验的结果,本论文设计了一种具备可调节式空气分布器的一体式培养/保藏反应器。其特点是：在亚硝酸盐氧化菌好氧培养阶段,将空气分布器置于反应器底部,并通氧保持溶解氧浓度大于2 mg/L;在亚硝酸盐氧化菌缺氧衰减阶段,将空气分布器提升至反应器底部10 cm以上位置,并减少通氧保持溶解氧浓度低于0.2 mg/L。另在亚硝酸盐氧化菌缺氧衰减过程中,补加甘油和酵母膏等有机物以使亚硝酸盐氧化菌的亚硝酸盐氧化速率得以维持。经试验证明,在缺氧有机环境中,亚硝酸盐氧化菌放置90 d以上,其氧化速率仍保持在80％以上。
4.基于实验室模拟富营养化水体亚硝酸盐氧化试验,本论文在中山市进行了规模化亚硝酸盐氧化菌氧化亚硝酸盐试验。在3个独立的水塘(每个水塘面积大约0.6公顷)中投加50 L的亚硝酸盐氧化菌,其菌体浓度为1.99 gVSS/L,氧化速率为850mgNO2--N/gMLSS·d。另3个独立水塘未投加菌剂作为空白对照。结果清楚的显示,本课题筛选出来的亚硝酸盐氧化菌可以有效的将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。水塘的亚硝态氮浓度3天后降至0.1mg/L。而未投加亚硝酸盐氧化菌的水塘,3天后亚硝态氮的浓度达到2.7、3.2和3.8 mg/L。