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生物固锰除锰工艺中锰氧化菌群结构功能及锰代谢机制分析

赵焱  
【摘要】:地下水中高浓度的铁锰离子已经严重影响了人们的生产生活。水体中的超标的铁锰离子既可使水出现色度,又容易导致各种疾病。基于此,各国对地下水中铁锰含量均有严格限定,生物固锰除锰工艺便应运而生。成熟稳定的锰氧化微生物系统对该工艺中生产性滤池的生物稳定性、生化能力以及处理系统的抗冲击性和快速启动均有积极意义。因此,有必要对锰氧化菌生理生态、酶学特性,以及生物固锰除锰工艺中锰氧化微生物的功能地位进行深入的分析和认识,为高效锰氧化功能菌群构建和实际工艺运行调控提供理论参考。 应用变性梯度凝胶电泳技术和单链构象多态性技术,分析了典型生物固锰除锰工艺中锰氧化微生物的功能地位;在此基础上,分离筛选具有较高胞外酶活性的锰氧化菌,构建锰氧化功能菌群,对生物强化技术处理含铁锰地下水效能进行研究;并通过对微生物固锰除锰特征及酶学特性分析,对锰氧化菌的代谢机制进行了初步探讨。 生物固锰除锰工艺中锰氧化菌群的功能地位研究表明,溶解氧和铁锰离子对微生物群落结构的形成具有选择作用。不同铁锰含量水厂的微生物群落结构也有差异。高铁含锰工艺中20cm~60cm滤层微生物群落结构简单,仅6个操作分类单位(OTUs),由Flavobacterium sp·, Zoogloea sp·构成顶级群落;滤池80cm处则达21个OTUs,Crenothrix sp·,Zoogloea sp·等为优势菌群;Zoogloea sp·是生物滤池中的常驻菌群,生态位较宽,对整个生物滤池的稳定起重要作用。高铁高锰工艺中各滤层微生物群落多样性较低,没有明显的演替规律;以除铁菌Gallionella,Ferribacterium为优势功能菌,Zoogloea是滤池的常驻菌群,也是锰氧化的主要功能菌群。高锰微铁滤池多样性最丰富,演替规律明显,Exiguobacterium sp·为表层至40cm内的优势功能菌群,该属细菌生态位宽泛,可适应不同铁锰水质条件,对微生物系统的稳定起重要作用。不同生物除锰水厂微生物功能菌的确定为工艺运行调控和固定化生物强化技术的应用提供理论指导。 从三座不同原水水质生物除锰水厂分离获得具有锰氧化胞外酶活性菌株18株。16S rDNA鉴定结果表明,分纯的菌种分属于Pseudomonas、Exiguo-bacterium、Bacillus、Chryseobacterium、Sphingobacterium、Klebsiella、Burkholderia和Delftia八个属。选用锰氧化菌Chryseobacterium sp·MS601,Sphingobacterium sp·MS604,Chryseobacterium sp·MSB-4三株菌构建锰氧化菌群,研究表明,三株菌的最佳组合比例为3:2:1。在典型高铁高锰水环境中(Fe~(2+) 12mg/L,Mn~(2+) 5.6mg/L),构建锰氧化功能菌群对锰去除率达95.96%,铁去除率则达97.28%。固定化微生物滤柱运行数据显示,滤柱进行生物强化后,反应器出水立即达标。锰氧化菌群接种17d后作用显现,运行44d后,300mm处出水水质中锰已达标。随滤速逐级提高至8m/h,滤柱900mm深处出水水质锰浓度始终为痕量,滤柱表现出较大的除锰潜力和抗冲击能力。滤柱运行稳定后形成了由Sulfuricurvum,Sphingobacterium,Exiguobacterium,Flavobacterium,Clonothrix,Crenothrix共同组成的微生物生态系统。与未进行生物强化的反应器相比,采用生物强化技术运行的滤柱启动周期短,生化能力强。 微生物固锰除锰特征分析显示,锰氧化微生物是生物滤池中除锰功能主体。锰氧化还原菌对Mn~(2+)的去除是细胞酶参与下的吸附-氧化过程,其中包括酶的阻遏和诱导。锰氧化酶最适酶活温度为10~15℃,最适pH值环境为中性偏碱生境。Fe~(2+)、Al~(3+)和Mg~(2+)对锰氧化酶酶活力具有促进作用,其中Fe~(2+)促进作用最为明显;Cu~(2+)和Zn~(2+)对不同菌株酶活力的影响具有选择性;Hg~(2+)对多数锰氧化酶无促进作用,明显抑制菌株Exiguobacterium sp·MB4的酶活力。细菌对Mn~(2+)的利用既是一种生理性解毒又是能量储备的一种方式。锰氧化菌对Mn~(2+)的氧化是多酶体系共同作用的结果,单一酶对Mn~(2+)的氧化功能极弱或不能氧化Mn~(2+)。采用固定化生物强化技术或者多酶系酶制剂是生物除锰工艺中强化除锰效能的更为可行性的方法。


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1 赵焱;生物固锰除锰工艺中锰氧化菌群结构功能及锰代谢机制分析[D];哈尔滨工业大学;2009年
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