N-乙烯基吡咯烷酮降解菌的筛选、降解特性、固定化及其模拟废水降解研究

摘要

N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)是一种广泛应用于化工业的原材料，常用来生产均聚物、化妆品、粘合剂、涂料和医药等。在欧美国家，NVP每年需求量达到1万吨以上，是不可缺少的化学工业品。NVP在合成和应用过程中将不可避免的进入到环境中。此外，NVP是一种典型的含氮杂环化合物(NHCs)，由于含氮杂环化合物通常具有高毒性、致畸性和致突变性，对环境造成了严重的危害，因此受到越来越多的关注。一般来说，废水中污染物的去除方法包括物理法、化学法和生物法，而生物法费用低廉、运行管理方便、有效快捷、无二次污染、环境友好，所以被广泛应用。
　　本文从活性污泥中分离出一株NVP高效降解菌ZF1，菌株ZF1能利用NVP作为唯一碳源和氮源生长。通过形态观察、生理生化特征及16S rRNA基因鉴定，菌株ZF1被初步鉴定为产脲节杆菌(Arthrobacter ureafaciens)。在LB液体培养基中摇床培养，菌株ZF1的对数期生长期为6～36 h;36 h-之后菌株ZF1的生长进入稳定期;54 h后，菌株生长速度变缓，菌体量开始变少。菌株ZF1在pH7.0～9.0，温度25～30℃范围内生长较好，最佳生长条件为pH7.0，温度30℃，NaCl浓度7.0 g/L。另外，装液量越少，菌株ZF1的生长越好，表明较高的溶解氧量有利于菌株ZF1的生长。
　　环境因素如pH、温度、接种量和金属离子等对菌株ZF1降解NVP都有明显的影响。菌株ZF1对NVP的最佳降解条件为温度30℃，pH7.0～9.0，接种量为3％。在30℃，pH7.0及3％接种量时，菌株ZF1能在60 h内将浓度为200 mg/L的NVP完全降解，表明菌株ZF1在含NVP废水的生物处理中具有良好的应用前景。另外，工业废水中存在的常见金属离子Ni2+、 Zn2+、Cu2+、Ag+、Mn2+、Fe3+和Co2+对ZF1降解NVP都存在不同程度的抑制作用。其中Fe3+几乎没有影响，而Cu2+、Ni2+和Ag+对NVP降解的抑制作用都比较强。
　　将菌株ZF1固定到竹炭上，和游离菌相比，固定菌对NVP的降解效果更好。对竹炭固定菌进行3次循环利用，结果NVP的去除时间随循环次数的增加而递减，说明在循环利用中，竹炭固定菌生物降解的作用越来越强，生物降解占主导地位。在3次循环利用中，竹炭固定菌对NVP的降解符合一级动力学模型，一级反应速率常数随NVP浓度的升高而下降。随着循环利用次数的增加，一级反应速率常数也越来越大，进一步说明在循环利用中竹炭固定菌生物降解NVP的作用越来越强。
　　最后，分别把游离菌和竹炭固定菌投加到型号相同的序批式反应器(SBR)中，处理NVP合成废水。SBR分三个阶段运行，不断提高进水NVP负荷，同时降低水力停留时间。结果表明，竹炭固定菌对NVP的去除效果高于游离菌，抗有机负荷和水力冲击负荷能力也高于游离菌。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 水污染与生物降解

1．2 N-乙烯基吡咯烷酮概述

1．2．1 N-乙烯基吡咯烷酮的物化性质及其危害

1．2．2 N-乙烯基吡咯烷酮的应用

1．2．3 N-乙烯基吡咯烷酮生物降解的研究进展

1．3 微生物固定化技术概述

1．3．1 微生物固定化技术

1．3．2 微生物固定化方法

1．3．3 微生物固定化载体的选择

1．3．4 微生物固定化的影响因素

1．4 微生物固定化技术在废水处理中的应用

1．4．1 固定化微生物对含氮废水的处理

1．4．2 固定化微生物对印染废水的处理

1．4．3 固定化微生物对重金属废水的处理

1．4．4 固定化微生物对难降解有机废水的处理

1．5 竹炭固定化微生物在水处理中的应用

1．6 研究目的和内容

1．6．1 研究目的和意义

1．6．2 研究思路及技术路线

第二章 NVP降解菌的分离、鉴定与生长条件的研究

2．1 材料与方法

2．1．1 培养基、试剂与主要仪器

2．1．2 NVP含量的测定

2．1．3 菌体生长量的测定

2．1．4 NVP降解菌的富集与分离

2．1．5 降解菌株的培养特征及生理生化鉴定

2．1．6 降解菌株的16S rRNA序列的PCR扩增及测序

2．1．7 降解菌系统发育地位的确定与系统发育关系的研究

2．1．8 环境因素对降解菌株ZF1生长的影响

2．2 结果与分析

2．2．1 NVP降解菌的富集与分离

2．2．2 降解菌株ZF1的形态特征、生理生化特征及其鉴定

2．2．3 菌株ZF1系统发育树的建立及初步鉴定

2．2．4 菌株ZF1在LB中的生长曲线

2．2．5 环境条件对菌株ZF1生长的影响

2．3 本章小结与讨论

第三章 NVP降解菌ZF1降解性能的研究

3．1 试剂与方法

3．1．1 培养基、菌悬液制备和仪器

3．1．2 NVP含量的测定

3．1．3 菌体生长量的测定

3．1．4 菌株ZF1利用NVP的生长降解曲线

3．1．5 环境条件对ZF1降解NVP的影响

3．2 结果与分析

3．2．1 ZF1利用NVP的生长降解曲线

3．2．2 环境条件对ZF1降解NVP的影响

3．3 本章小结与讨论

第四章 NVP高效降解菌ZF1的竹炭固定化及其动力学研究

4．1 材料与方法

4．1．1 菌株ZF1的竹炭固定化

4．1．2 竹炭固定菌的电子显微镜观察

4．1．3 竹炭固定菌对NVP的降解实验

4．1．4 游离菌和固定菌对NVP降解的对比

4．1．5 竹炭固定菌的重复利用实验及其动力学研究

4．2 结果与分析

4．2．1 竹炭固定菌的电子显微镜观察结果

4．2．2 竹炭固定菌降解NVP的效果

4．2．3 游离菌和固定菌对NVP的降解

4．2．4 竹炭固定菌的重复利用效果

4．2．5 竹炭固定菌重复利用的动力学研究

4．3 本章小结与讨论

第五章 游离菌和固定化菌降解NVP模拟废水的试验研究

5．1 材料与反应器

5．2 SBR反应器的运行

5．3 结果与分析

5．4 本章小结与讨论

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 创新与不足

6．2．1 创新点

6．2．2 不足之处

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

研究中获得的相关DNA序列