厌氧氨氧化菌胞外聚合物吸附氨氮和亚硝态氮动力学研究

摘要

厌氧氨氧化反应作为同时处理氨氮和亚硝态氮的反应，在水处理方面有着很大的优势，厌氧氨氧化菌则是厌氧氨氧化反应正常发生的保障。厌氧氨氧化菌分泌的胞外聚合物(EPS)对反应和细菌生长有什么作用，目前尚未有明确的结论。本论文旨在研究厌氧氨氧化菌EPS对底物的吸附和底物解吸作用，为理解EPS对厌氧氨氧化菌生长的作用方面提供一定帮助。主要研究成果包括： 第一，根据透析原理，建立EPS吸附底物模型，利用模型对EPS对氨氮和亚硝态氮的吸附量进行计算。检测多种底物浓度的氨氮与亚硝态氮的透析曲线，计算固定底物浓度的透析常数k值，分别为kNH4+=0.16157、kNO2-=0.08154。后续EPS相关吸附实验的混合液均为高浓度氨氮溶液和亚硝态氮进行稀释，与EPS溶液的混合溶液。结合对EPS的傅里叶变换红外光谱(FTIR)的基团检测与蛋白组学的分析结果，EPS蛋白质呈现正电性。蛋白组学检测EPS中的蛋白质不仅在细胞内部存在，也在细胞外部存在。 第二，吸附等温实验表明EPS对氨氮与亚硝态氮的最佳吸附量与吸附机理有明显差别。正交实验各因素之间未发生交互作用，实验设置的温度变化不会对EPS吸附氨氮或者亚硝态氮的结果产生影响。被EPS吸附的亚硝态氮含量，平均是被吸附的氨氮含量的7.5倍。Freundlich模型可以用来描述EPS蛋白质对亚硝态氮的吸附，但其假设的多吸附位点不完全适合对氨氮吸附的机理进行描述；Langmuir模型拟合EPS对氨氮的最大吸附浓度与实验测量值相差较大，但很好的拟合了EPS对亚硝态氮的吸附作用，拟合的最大吸附浓度比较高。 因为EPS蛋白质的带正电性，决定了EPS对氨氮和亚硝态氮的吸附机理不同。探究EPS全部物质如何对底物的吸附是比较难实现的，提出EPS中某物质的可吸附氨氮或者亚硝态氮的吸附位点浓度，占EPS该类物质的各吸附基团与各吸附结构位点浓度总量的比率Ka的理论表达式。 第三，吸附氨氮和亚硝态氮的EPS解吸呈现不同的规律。建立EPS解吸计算模型，对吸附底物的EPS进行解吸实验研究。EPS所吸附的氨氮基本可以全部解吸；亚硝态氮浓度较低时，EPS所吸附的亚硝态氮基本能全部解吸，当亚硝态氮浓度较高时，约有一半的亚硝态氮以更加稳定的电性作用方式与EPS相结合，较难解吸。计算EPS吸附与解吸的反应平衡常数，表明尽管氨氮和亚硝态氮的吸附机理不同，但EPS对氨氮和亚硝态氮均趋向于吸附；利用单位EPS对底物保存量p，以公式形式，对EPS对底物的吸附量、解吸量和EPS的加入量进行描述，表明添加EPS含量越高，保留在EPS层中的底物越多；利用物质扩散模型，对底物在EPS中的分配计算进行描述，以及推出EPS对底物的多种作用方式的计算公式。底物在EPS层中受到结构吸附与解吸，电性吸附与解吸的作用，底物透过EPS迁移到细菌菌体就是底物在EPS中的传质过程。 第四，通过对厌氧氨氧化菌EPS对氨氮和亚硝态氮的吸附和解吸作用进行研究，结合EPS对双底物的吸附机理与吸附量，揭示了自然环境中，具有EPS的厌氧氨氧化菌对底物产生的双重作用机理，分别为对氨氮的隔离作用和对亚硝态氮的富集作用。这种双重作用为厌氧氨氧化菌在自然界广泛分布提供了保障。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 厌氧氨氧化菌 (Anammox Bacteria)

1.2 厌氧氨氧化反应与机理 (The Reaction and Mechanism of Anammox)

1.3 胞外聚合物研究 (Research Status of Anammox EPS)

1.4 课题研究目的与内容 (The Research Purpose and Contents)

2 实验材料与方法

2.1 实验装置 (Experimental Equipments)

2.2 接种污泥 (The Sludge of Experiment)

2.3 实验废水、检测指标与仪器药品 (Experimental Simulated Wastewater, Testing Indicators and Instruments)

2.4 厌氧氨氧化菌 EPS 相关实验方法 (Anammox Bacteria EPS Related Experimental Method)

3 厌氧氨氧化菌富集培养及EPS吸附模型研究

3.1 厌氧氨氧化反应器运行指标 (Anammox Reactor Operation Indicators)

3.2 厌氧氨氧化菌检测与 EPS 吸附预处理 (Anammox Bacteria Detection and EPS Adsorption Pretreatment)

3.3 EPS吸附底物模型 (EPS Adsorption Substrate Model)

3.4 吸附实验计算方法 (Calculation Method of Adsorption Experiment)

3.5 EPS 吸附底物模型实验研究 (Experiment Study of EPS Adsorption Substrate Model)

3.6 EPS 各组分含量与蛋白组学分析 (Content and Proteomics Analysis of EPS Components)

3.7 本章小结 (Brief Summary)

4 EPS吸附低浓度氨氮与亚硝态氮研究

4.1 EPS吸附实验方法 (EPS Adsorption Experiment Method)

4.2 吸附氨氮与亚硝态氮正交实验 (Orthogonal Experiment of Adsorbing Ammonia Nitrogen and Nitrite Nitrogen)

4.3 EPS 对低浓度氨氮的等温吸附实验 (Isothermal Adsorption Experiment of EPS on Low Concentration Ammonia Nitrogen)

4.4 EPS 对低浓度亚硝态氮的等温吸附实验 (Isothermal Adsorption Experiment of EPS on Low Concentration Nitrite Nitrogen)

4.5 Freundlich和Langmuir等温吸附模型研究 (Study on Isotherm Adsorption Fitting of Freundlich Model and Langmuir Model)

4.6 EPS 对氨氮与亚硝态氮吸附机理分析 (Adsorption performance analysis of EPS for Ammonia Nitrogen and Nitrite Nitrogen)

4.7 本章小结 (Brief Summary)

5 EPS解吸实验与吸附解吸理论分析

5.2 吸附氨氮的 EPS 解吸实验研究 (Experimental Study on Desorption of EPS Adsorbed by Ammonia Nitrogen)

5.3 吸附亚硝态氮的 EPS 解吸实验研究 (Experimental Study on Desorption of EPS Adsorbed by Nitrite Nitrogen)

5.4 EPS 吸附底物与解吸过程分析 (Analysis of Substrate Adsorption and Desorption Process of EPS)

5.5 本章小结 (Brief Summary)

6 结论与展望

6.1 结论 (Conclusions)

6.2 创新点 (Innovation Points)

6.3 展望 (Prospects of Future Research)

参考文献

附录

作者简历

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