异养硝化-好氧反硝化菌的筛选及脱氮特性研究

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氮是自然界中广泛存在的基本元素,是生物地球化学循环的重要组成部分。近年来,由于国家工业化的快速发展,大量气态氮被固定为含氮化合物,使水体中氮素含量超标,造成水体富营养化,引起水环境的污染。氮素是水体中的主要污染物,通常有物理化学和生物三种方法进行脱氮。生物脱氮被认为是解决氮素污染经济有效的方法,但传统生物脱氮要经过硝化、反硝化两个过程,严格控制氧气,工艺较为复杂。因此筛选异养硝化-好氧反硝化(Heterotrophic nitrification and aerobic denitrification,HN-AD)菌株,实现低成本脱氮成为了研究热点。本研究旨在为氮污染的生物修复技术提供理论依据和种质资源。论文中筛选得到两株异养硝化-好氧反硝化菌株,完成菌株鉴定后对两株菌进行脱氮特性分析,包括影响因素优化、脱氮机制探究以及全基因组分析,最后投入实际废水中应用。主要结果如下:(1)异养硝化-好氧反硝化菌株的筛选。通过初筛得到504株菌,复筛后得到32株硝化能力强的菌株,定性、定量测定这32株菌的反硝化能力。结果发现菌株T2-1、F1-6为筛选到的高效异养硝化-好氧反硝化细菌。(2)高效HN-AD菌株的鉴定。通过菌落观察、革兰氏染色等形态特征描述,生理生化特性分析,及16S r RNA基因的系统发育分析,鉴定菌株T2-1为Acinetobacter johnsonii,菌株F1-6为Acinetobacter junii。(3)高效HN-AD菌株影响因素优化。首先进行单因素优化实验,对菌株T2-1、F1-6脱氮性能的影响因素(碳源、C/N、p H、温度、转速)进行了分析,得到硝化和反硝化过程的最适脱氮条件。以单因素实验结果为中心点,对两株菌进行p H、温度和转速的响应面分析,得到菌株T2-1和F1-6的最佳条件,该条件下实际NH4+-N转化率分别为98.57%和98.83%。(4)高效HN-AD菌株脱氮特性分析。在最适脱氮条件下,接种量为1%时对两株菌进行了脱氮特性分析。得到分别以氨氮、硝氮、亚硝氮为唯一氮源时,菌株T2-1、F1-6的转化过程趋势,验证了两株菌的脱氮效果。(5)高效HN-AD菌株全基因组分析。将菌株T2-1和F1-6送至广东美格基因科技有限公司进行全基因组测序,更深入、细致了解菌株基因组组分和基因功能。(6)高效HN-AD菌株脱氮机制探究。通过对菌株T2-1和F1-6基因组分析例如KEGG、GO、COG等,发现氮代谢过程中编码相关酶的基因:同化硝酸盐还原酶基因:nas A;亚硝酸盐还原酶基因:nir B。同时进行功能基因提取,成功扩增出羟胺氧化酶基因hao的条带,进一步验证了菌株的HN-AD功能。(7)高效HN-AD菌株实际废水应用。将菌株T2-1和F1-6投入实际废水中应用。发现菌株T2-1和F1-6对高氨氮废水的氮素转化效果更好,几乎没有中间产物的积累。通过对两株优势菌进行影响因素优化、脱氮特性分析、全基因组分析和潜在脱氮机制探究,丰富了HN-AD细菌研究的理论基础,在解决水资源氮素污染过程中有重要意义。
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