复合铁酶促活性污泥絮体结构与生物多样性分析

摘要

上世纪70年代以来，水体富营养化已成为世人瞩目的水环境问题，2007年我国太湖的蓝藻爆发以及2008年山东半岛沿海的浒苔事件更是引起广泛关注。水体富营养化现象发生的机理虽然复杂，但其根本原因是水体中氮、磷等营养性物质含量过高造成的，因此，控制氮、磷等植物性营养物质进入水体是解决富营养化问题的根本途径。针对城镇污水脱氮除磷处理技术难题，青岛理工大学污水处理与资源化课题组提出了复合铁酶促活性污泥法，其以提高污水处理微生物活性为切入点，采用人为调控铁离子介入的强化微生物活性的研究策略，利用铁离子参与电子传递作用与酶促反应激活剂作用的原理，强化铁离子介入微生物生化反应过程，达到提高功能微生物代谢反应活性的目的。其为解决污水生物脱氮除磷系统存在的固有矛盾与瓶颈问题提供了一种全新的思路。该技术在前期大量的实验室规模、现场小试以及半生产性实验研究中，在强化污水生物脱氮除磷能力方面均取得了较为突出的处理效果，特别在抵抗低温硝化方面取得了重要突破。
　　 本文主要应用能谱分析、PCR-DGGE、PCR-RFLP等16SrDNA分子生物学手段，结合复合铁酶促活性污泥技术在实际生产运行的城市污水处理厂的应用及现场小试试验系统，通过对复合铁酶促活性污泥与普通活性污泥的絮体结构和生物多样性的分析，目的在于解决微生物多样性与群落结构变化对系统功能的影响，探讨铁离子对微生物多样性与群落结构变化的影响。
　　 本研究利用PCR-DGGE、PCR-RFLP等16SrDNA分子生物学方法对不同含铁量复合铁酶促活性污泥的种群结构以及主要菌种的种属进行分析。研究结果表明，(1)不同含铁量复合铁酶促活性污泥的微生物种群结构之间存在差异性，其中0.05gFe3+/gMLSS含铁量的复合铁酶促活性污泥中微生物多样性丰度最高;(2)复合铁酶促活性污泥微生物种群结构相对于普通活性污泥呈现出的差异性，说明铁离子对活性污泥微生物群落结构及其功能多样性产生一定影响，促进了微生物的生长，推动了功能微生物对环境的适应能力;(3)复合铁酶促活性污泥与普通活性污泥系统中微生物共分11大类。复合铁酶促活性污泥的优势菌群顺序为:β-变形菌纲、γ-变形菌纲、梭菌纲、δ-变形菌纲、暖绳菌纲(分别占79.79％，5.32％，5.32％，2.13％，2.13％)。普通活性污泥系统中优势菌群顺序为:β-变形菌纲、α-变形菌纲、γ-变形菌纲、梭菌纲（分别占78.89％，8.89％，5.56％，4.44％)。
　　 采用复合铁酶促活性污泥技术的城市污水处理厂实际生产系统微生物多样性研究表明，(1)复合铁酶促活性污泥实际生产系统的微生物多样性相当丰富，对外来的环境冲击影响表现出较强的动态稳定性。污泥的内外回流不可避免的造成了微生物在不同区域中的“流动”，因此大部分微生物在不同功能区域中的种群结构差别不大，在池中不同位置的分布都比较均一。(2)采用相同实际污水为进水的复合铁酶促活性污泥实际生产系统与小试试验系统的生物群落多样性具有较好的一致性，只是各种细菌所占比例发生微小波动。
　　 本研究采用絮体粒径分布测定、zeta电位测定、电子能谱元素分析(XPS)、电子能谱元素分析(EDS)等方法，分析了复合铁酶促活性污泥的絮体结构和存在形式。不同含铁量(0.01、0.03、0.05、0.08gFe3+/gMLSS)的复合铁酶促活性污泥胞外聚合物EPS中均未发现铁元素。复合铁酶促活性污泥中的铁元素被微生物吸收利用，主要存在于微生物细胞内，并参与微生物的新陈代谢，进而提高了活性污泥微生物的代谢反应活性。X射线电子能谱(XPS)分析显示复合铁酶促活性污泥中铁元素的存在形式为一种金属有机化合物Fe(GH5)(CO)3BPh4（Fe元素价态+2价），是微生物的一种新陈代谢产物，在生物氧化中通过Fe→Fe2+→Fe3+氧化还原反应起着电子传递作用，强化酶的催化活性。复合铁酶促活性污泥的形成对活性污泥Zeta电位的影响很小，不会导致活性污泥的表面电荷降低，说明复合铁酶促活性污泥良好的絮凝作用并不是由于电中和作用引起的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷技术

1．1．1 复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷技术的提出

1．1．2 复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷技术研究现状

1．2 本课题研究所采用的16S rDNA分子生物学分析技术

1．2．1 概述

1．2．2 DNA的提取与纯化

1．2．3 聚合酶链式反应(PCR)技术

1．2．4 琼脂糖凝胶电泳分析技术

1．2．5 变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术

1．2．6 限制性酶切片段多态性分析(RFLP)技术

1．2．7 DNA测序及微生物分类鉴定

第2章 课题研究目的与内容

2．1 课题来源

2．2 研究的目的与意义

2．3 主要研究内容和技术路线

2．3．1 研究内容

2．3．2 复合铁酶促活性污泥生物多样性研究路线

第3章 复合铁酶促活性污泥微生物群落结构分析

3．1 不同含铁量条件下复合铁酶促活性污泥处理效能分析

3．1．1 试验方法

3．1．2 试验结果与讨论

3．2 采用变性梯度凝胶电泳技术对复合铁酶促活性污泥研究

3．2．1 试验方法建立

3．2．2 试验结果与讨论

3．3 采用限制性酶切片段多态性分析对复合铁酶促活性污泥研究

3．3．1 试验方法建立

3．3．2 试验结果与讨论

3．4 小结

第4章 采用复合铁酶促活性污泥城市污水处理厂实际生产系统微生物多样性研究

4．1 复合铁酶促活性污泥法生产系统不同反应区段生物多样性分析

4．1．1 试验材料与方法

4．1．2 试验结果与讨论

4．2 复合铁酶促活性污泥生产性系统与小试实验系统微生物种群结构的差异性分析

4．2．1 试验材料与方法

4．2．2 试验结果与讨论

4．3 小结

第5章 复合铁酶促活性污泥絮体结构和生物絮凝作用分析

5．1 试验材料和方法

5．1．1 试验装置与进水

5．1．2 胞外聚合物(EPS)的提取与分析

5．1．3 活性污泥絮体的相关测定

5．1．4 水质指标及分析方法

5．2 试验结果与讨论

5．2．1 复合铁酶促活性污泥沉降性能的研究

5．2．2 复合铁酶促活性污泥絮体zeta电位研究

5．2．3 复合铁酶促活性污泥EPS的研究

5．2．4 复合铁酶促活性污泥中铁元素存在形式与价态分析

5．2．5 复合铁酶促活性污泥絮体粒径分布的分析

5．3 小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

附表

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的学术论文

所获奖励