厌氧氨氧化菌强化零价铁还原硝酸盐反应机制研究

摘要

厌氧氨氧化（Anammox）菌利用低价态铁还原NO3-的现象丰富了对Anammox菌代谢多样性的认识，但目前关于这一方面的研究仍较为缺乏，对于反应过程中NO3-的转化途径、Anammox菌参与的反应以及微生物群落组成变化等都尚未可知。因此，根据目前所存在的疑问与需要解决的问题，本研究通过批式实验，对比了投加沸石吸附还原产物NH4+和投加Anammox菌对Fe0/NO3-体系中NO3-还原速率的影响，考察了无化学反应发生的条件下Anammox菌利用Fe0溶出的Fe2+还原NO3-的作用；通过连续流反应器实验探讨了Anammox菌强化Fe0还原NO3-体系连续流反应器稳定运行及Anammox菌长期培养的控制条件，并采用实时荧光定量PCR以及高通量测序等分子生物学手段，测定了微生物培养物的功能基因narG、napA和nrfA表达以及微生物群落结构的变化。通过上述方法和手段，探究了Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应中微生物参与的反应、NO3-的转化途径、微生物群落变化特征以及反应的关键影响因素，得到的主要结论如下： （1）通过对稳定发生Fe0还原NO3-作用的连续流反应器中长期培养的Anammox微生物样品检测，发现功能基因napA和nrfA有明显表达，表明Anammox菌能够利用Fe0溶出的Fe2+将NO3-经NO2-异化还原成NH4+； （2）NO3-还原、NO3-异化还原为NO2-、NO2-异化还原为NH4+是NO3-生物还原的主要途径，同时也是Anammox菌获得底物NH4+与NO2-的主要途径，在上述生物过程的共同作用下实现体系内NO3-的去除； （3）Candidatus Brocadia菌和Candidatus Jettenia菌在以Fe0和NO3-环境中长期培养后相对丰度逐渐增强，这两个属的Anammox菌表现出了对Fe0和NO3-环境的适应性； （4）缓解或避免Fe0钝化是保证Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应稳定运行的关键因素，通过定期换铁的方式，Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应能够实现长期稳定运行，NO3-平均去除率为75.00%，总氮平均去除率为54.02%； （5）通过考察铁形态、Fe/N比、pH和温度对Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应的影响，发现铁形态、Fe/N比和温度对NO3-还原速率影响显著，而pH影响较弱。以纳米铁粉为电子供体、温度为35℃，Fe/N比为38.23，pH为4时，NO3-转化率可达88.00%。 本研究丰富了对NO3-存在下的Anammox菌代谢多样性的认识。此外，明确了Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应的客观规律，为实现Anammox工艺的NO3-原位处理，进一步提高总氮去除率提供一种新思路。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景和国内外研究进展

1.2 课题由来、研究目的及意义、研究内容

1.3 技术路线

第二章 实验材料与方法

2.1 实验装置

2.2 接种污泥和实验水质

2.3 分析测定项目与方法

2.4 Anammox菌样品分析项目与方法

第三章 Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应途径分析

3.1 Anammox微生物在NO3-还原过程中的作用

3.2 NH4+来源途径分析

3.3 分析与讨论

3.4 本章小结

第四章 Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应调控

4.1 Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应稳定性

4.2 反应器R4内微生物表面SEM与EDS分析

4.3 反应器R4内Fe0表面SEM与EDS分析

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

第五章 稳定运行期NO3-还原途径及微生物群落变化分析

5.1稳定运行期NO3-转化相关的功能基因变化

5.2 稳定运行期微生物Miseq高通量测序

5.3 分析与讨论

5.4 本章小结

第六章 Anammox菌强化Fe0还原NO3-反应的影响因素

6.1 Fe0形态对Anammox菌强化Fe0还原NO3-过程的影响

6.2 pH、温度和Fe/N比对Anammox菌强化Fe0还原NO3-过程的

6.3 分析与讨论

6.4 本章小结

第七章 结论

参考文献

图表目录

致谢

作者简历