收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高效三氯乙烯厌氧微生物降解菌群构建与分子生物学诊断

胡淼  
【摘要】:城市工业化的快速发展,人类活动的加剧,导致地下水受三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)污染的态势日益严重。鉴于地下水中TCE污染的广泛性,TCE污染治理已成为国内外研究人员广泛关注的问题。生物修复技术具有效率高、成本低、完全降解和无二次污染等优点,成为研究人员关注的TCE污染治理的新技术。由于上流式厌氧污泥床反应器(upflow anaerobic sludge blanket reactor. UASB反应器)中具有高浓度的微生物和微生物多样性,因此,与其它的厌氧反应器相比,UASB反应器在难降解有机废水处理领域更有优势,高浓度的微生物能够快速地将污染物转化降解。但是,TCE在UASB反应器中的生物降解方面的研究国内外罕有报道,以及TCE在厌氧反应器中代谢机理尚不明确。本研究在阅读大量国内外相关文献后,针对以上问题,提出以UASB反应器为基础,在其中构建TCE高效降解菌群。展开TCE对厌氧颗粒污泥的产甲烷毒性影响以及颗粒污泥产甲烷活性恢复情况;通过培养和驯化的手段,基于UASB反应器构建TCE厌氧降解菌群,探讨TCE在UASB反应器中的代谢机理;探索运行参数对TCE降解效果的影响,利用高通量测序技术,解析菌群降解TCE过程中各运行参数的变化对厌氧微生物类群的多样性以及结构、功能的影响;并对UASB反应器的运行参数进行优化。论文所得的主要结论如下:(1)虽然TCE抑制甲烷菌的活性,并且抑制作用随浓度增加而增强:但是,甲烷菌可以逐渐适应TCE的抑制作用,TCE的浓度越大,甲烷菌需要的适应时间就越长:TCE对甲烷菌的抑制作用较强,TCE浓度为10-15mg/L时,属于中度抑制:TCE浓度高于20mg/L时,属于重度抑制。当TCE浓度为5-15mg/L时,厌氧颗粒污泥产甲烷活性得到恢复,而浓度大于20mg/L时,产甲烷活性并未恢复。(2)通过培养和驯化手段,在UASB反应器中成功获得TCE厌氧降解菌群,以葡萄糖和乳酸为碳源,TCE处理浓度为14.6-73mg/L时,TCE降解率在85%-90%,TCE的降解产物为顺式-二氯乙烯(cis-dichloroethylene, cis-DCE)、氯乙烯(vinyl chloride, VC)和乙烯(ethene).通过454高通量测序技术分析TCE厌氧降解菌群的群落结构。菌群中存在Petrimonas、Clostridium、Enterobacter和Lactococcus等多种发酵产酸菌和能将TCE降解为cis-DCE的厌氧脱氯菌Dehalobacter和Geobacter,以及嗜乙酸甲烷菌(Methanosaeta)(99.54%),而其他类型的古细菌所占比例很小,不到总序列数的0.5%。推测菌群在UASB反应器中代谢TCE的机理为:多种发酵产酸菌(例如:Petrimonas、 Acetanaerobacterium、Syntrophobacter、Trichococcus、Clostridium、Enterobacter和Lactococcus)发酵葡萄糖和乳酸成乙酸,并产生H2:Dehalobacter和Geobacter利用H2为电子供体,TCE为电子受体,降解TCE,生成cis-DCE、VC和少量ethene; Desulfovibrio和Syntrophobacter维持厌氧环境和为厌氧脱氯菌群中的微生物提供必要的营养物质:Methanosaeta利用发酵葡萄糖和乳酸产生的乙酸进行产甲烷作用。(3)在温度为30℃C,进水pH值为7.0±0.1,TCE浓度为36.5mg/L,进水COD为3100mg/L的条件下,水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)由25h缩短至5h,TCE的处理负荷由35.04mg/L/d增加到175.2mg/L/d,结果表明:TCE在25h时降解率最大,为99.10%,而在5h时最低,为83.99%;随着HRT的缩短,TCE处理负荷随之升高,且HRT的缩短导致进水速度过快,使得菌群与TCE接触的几率减小,导致TCE不能够及时被完全降解,TCE降解率下降。利用Illumima Miseq高通量测序,在不同HRT条件下,在细菌群落中均检测到Dehalococcoidia的存在,能将TCE彻底降解为ethene的Dehalococcoides sp均属于Dehalococcoidia. Lactococcus和Petrimonas在不同HRT条件下均占主导地位,厌氧脱氯菌Geobacter和Dehalobacter的相对丰度随着HRT的缩短而降低。冗余分析(redundancy analysis. RDA)表明:Lactococcus与TCE的去除率为负相关,而Clostridium, Desulfovibrio, Eubacterium, Petrimonas, Syntrophobacter, Thermanaerovibrio与TCE的去除率正相关。(4)在温度30℃C,为HRT为15h, TCE浓度为36.5mg/L,进水COD为3100mg/L的条件下,进水pH值由6.0逐步提升(6.5,7.0)至7.5时,菌群的活性逐渐增强,TCE降解率随之提高。TCE降解率在进水pH值7.0下最大,为96.76%,而在6.0时最低,为79.33%;而且,pH值小于7.0时TCE的降解率明显小于pH值大于7.0时TCE的降解率,说明pH值小于7.0的偏酸环境对菌群的活性影响较大。在不同pH条件下,在细菌群落中均未检测到Dehalococcoidia的存在。由于Lactococcus和Petrimonas为发酵产酸菌,因此它们在不同pH条件下均占主导地位,厌氧脱氯菌Geobacter和Dehalobacter的相对丰度随着pH的提升而增加。而在pH为6.0时,未检测到Dehalobacter的存在,并且Geobacter丰度较低(0.81%),这可能是TCE的降解率在pH为6.0时最低的原因。RDA分析表明:Lactococcus与TCE的去除率为负相关,而Propionicicella, Petrimonas, Syntrophobacter和Thermanaerovibrio与TCE的去除率正相关。(5)在HRT为15h,TCE浓度为36.5mg/L,进水COD为3100mg/L,进水pH值为7.0±0.1的条件下运行,温度由20℃逐步提升(25℃,30℃)至35。C时,TCE降解率随之提高,TCE降解率在30℃C下最大为97.89%;而温度提升到400C时,菌群的活性受到抑制,TCE降解率只有77.90%,温度的升高使得菌群中可以适应温度改变的类群逐渐成为优势种,进而提高了对TCE的降解效能,过高的温度,菌群的活性下降,使菌群对TCE的降解效能下降。温度为25。C--40℃C时,在细菌群落中检测到Dehalococcoidia的存在。温度为200C-300C时,厌氧脱氯菌Geobacter和Dehalobacter的相对丰度随着温度的提升而增加:在400C时,未检测到Dehalobacter的存在,并且Geobacter丰度较低(1.76%),这可能是TCE的降解率在400C最低的原因。RDA分析表明:Lactococcus, Syntrophobacter, Desulfovibrio, Petrimonas, Clostridium和Blvii28 wastewater-sludge group与TCE的去除率为负相关,而只有Thermanaerovibrio与TCE的去除率正相关。(6)采用响应面法中的中心组合设计对HRT、温度和进水pH值等UASB反应器的运行条件进行优化。通过模型预测的最优UASB反应器运行条件为HRT为19.44h,温度为31.07℃,进水pH为7.13时,TCE去除率达到96.52%,以模型预测的最佳条件进行验证,实际操作中UASB反应器运行条件为HRT为20h,温度为32℃和进水pH为7.2时,TCE的平均去除率为97.71%,并且TCE去除率比优化前(90.17%)提高了8.36%。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 刘婷;陈朱蕾;曹丽;孙蔚旻;沈韫芬;;16S rDNA-RFLP分析六氯苯好氧降解菌群的结构及其多样性[J];微生物学报;2006年05期
2 华蔚颖;徐昭;张梦晖;李旻;张晨虹;赵立平;;CVTree在454高通量测序分析菌群结构中的应用[J];中国微生态学杂志;2010年04期
3 张松柏;尹乐斌;刘勇;张德咏;罗香文;成飞雪;罗源华;;厌氧复合菌群JZ-1降解拟除虫菊酯的特性和组成多样性研究[J];农业环境科学学报;2010年06期
4 费辉盈;常志州;王世梅;朱洪;陈欣;;常温纤维素降解菌群的筛选及其特性初探[J];生态与农村环境学报;2007年03期
5 李建政;宋钧玲;艾斌凌;;发酵水稻秸秆产酸复合菌群的筛选与评价[J];科技导报;2012年35期
6 邝斌宇;史青;Montcho Leon Monthero;丁嫚;温东辉;;A/O MBR处理生活污水效率与菌群多样性的关系[J];环境科学;2012年06期
7 邓建明;李大平;陶勇;何晓红;王晓梅;;溶微囊藻细菌的富集筛选及其菌群结构特征[J];微生物学通报;2009年08期
8 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 石毅;徐晨;周霞;Forney Larry Jay;沈健;;基于微生物组学的女性阴道菌群结构特点研究[A];中华医学会第八次全国检验医学学术会议暨中华医学会检验分会成立30周年庆典大会资料汇编[C];2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 宋阳;幽门螺杆菌感染对胃内菌群结构的影响和菌群分布特征的研究[D];第三军医大学;2012年
2 于洁;可降解纤维素的微生物菌群筛选及其性质初探[D];天津理工大学;2010年
3 汤军芝;降解菲且氧化砷的双功能菌群的分离、性能及分子鉴定[D];华东理工大学;2013年
4 李晓;团头鲂池塘养殖系统菌群结构及组成多样性研究[D];南京农业大学;2014年
5 杨静丽;激光捕获显微切割联合分子生物学技术在研究组织病原学菌群多样性方面的应用[D];重庆医科大学;2014年
6 何柳;厌氧降解纤维素产乙醇菌群的筛选鉴定及发酵条件分析[D];福建农林大学;2009年
7 何江;纤维素功能菌群及其木薯酒糟高效甲烷发酵技术的研究[D];江南大学;2012年
8 李伟;几种常用实验动物与人肠道主要菌群多样性比较[D];西南大学;2011年
9 雷霆;渤海湾沉积物原油降解菌群的筛选及其降解条件优化[D];天津理工大学;2015年
10 田志颖;用抗生素根除幽门螺杆菌对食道下端菌群的影响[D];重庆医科大学;2014年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978