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烟草加工废水处理及其微生物学机制研究

汪美贞  
【摘要】:本论文围绕烟草加工废水处理及尼古丁微生物降解这一主题,就烟草加工废水处理技术及其安全性评价,烟草加工废水处理的生态机制及尼古丁降解的微生物分子机制等多个方面内容开展了研究,所获结果分述如下: (1)应用尼古丁高效降解菌Pseudomonas sp. HF-1在活性污泥中的定植强化,大大提高了SBR反应系统对烟草废弃物的降解效能,即在12hHRT内,对250mg/L尼古丁的降解率达到了100%,6400 mg/L COD的降解率达到了84.2%。 (2)采用Box-Behnken实验设计对SBR出水的Fenton深度处理进行了条件优化。当pH为4.13-4.66,Fe2+投加量为5.30-6.09 mmol/L,30% H2O2投加量≥8.20ml/L时,可使色度去除率达96.03±2.57%,COD从1 100.33±82.80 mg/L下降到73.67±19.70 mg/L,去除率达93.30±2.92%。出水的COD达到了国家污水排放的一级标准(100 mg/L,GB8978-1996)。 (3)通过对Fenton深度处理过程中羟自由基含量的监测并结合该出水对微生物生长及抗氧化水平标志物影响的研究,表明经生物强化和Fenton高级氧化处理的烟草加工废水,其羟自由基的含量仅为0.383±0.52 U/mL,最终出水对E. coli. P. putida、Pseudomonas sp. HF-1、Acinetobacter sp. TW、Sphingomonas sp. TY 5种细菌的生长都不具抑制作用,且对菌株HF-1体内SOD、CAT、MDA 3个抗氧化指标的影响不显著(p0.05)。因此,生物强化和Fenton高级氧化相结合的技术是一种生态安全的烟草加工废水处理技术。 (4)采用PCR-DGGE及毒性试验方法比较了接种Pseudomonas sp. HF-1的强化反应器及不接种Pseudomonas sp. HF-1的非强化反应器整个运行过程中的微生物群落结构及活性状态。结果显示,在非强化反应器内,250 mg/L尼古丁浓度下的Shannon-Wiener指数显著低于40-130 mg/L尼古丁浓度下的Shannon-Wiener指数;在强化反应器内,Shannon-Wiener指数随着尼古丁浓度增加逐渐增加。对DGGE主要条带测序结果显示2个SBR系统内的主要微生物种类明显不同。表明Pseudomonas sp. HF-1在SBR系统内的强化有利于微生物群落结构的动态发育。在非强化反应器内,80-250 mg/L尼古丁浓度下的蛋白羰基含量及DNA-蛋白交联系数显著高于启动阶段;然而,在强化反应器内,随着尼古丁浓度的增加,蛋白羰基含量及DNA-蛋白交联系数无显著性增加。表明Pseudomonas sp. HF-1在SBR系统内的强化有利于维持系统内其他微生物的活性,进而大大提高强化系统的污染物处理效能。 (5)通过质粒消除、质粒转化、关键基因hsp的PCR及RT-PCR扩增等方法证明了质粒pMH1是不同于pAO1的新型尼古丁降解质粒,明确了Pseudomonassp.HF-1尼古丁降解基因定位于质粒上。采用SEFA-PCR完成了pMH1的全序列测定,大小为23 315bp,显著小于已报道的节杆菌(Arthrobacter)的尼古丁降解质粒pAO1(约165 kb)。G+C含量分析显示其可在环境中持久稳定存在。生物信息学方法分析显示,该质粒上不仅包含有与质粒复制和转移有关的基因,还可能包含有催化6-羟-3-琥珀酰吡啶(HSP)转化为2,5-二羟吡啶(DHP)的基因hsp以及催化假氧化尼古丁生成3-琥珀酰吡啶和甲胺的基因amo,其中基因hsp在该质粒上有2个拷贝。小质粒,稳定存在,含部分尼古丁降解基因的重复序列,可能为菌株HF-1快速降解烟草废水中尼古丁的主要分子机制。


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