胞外聚合物在海洋高效除磷菌株Shewanella sp.除磷中的作用研究

摘要

随着工业的不断发展使得对磷矿的开采越发严重，自然磷矿资源也越加匮乏。因此，实现废水中磷的有效回收利用是降低自然磷矿资源消耗的有力途径之一。活性污泥法是国内外应用最广泛的生物除磷方法。在活性污泥系统中，聚磷菌在厌氧-好氧交替条件下实现磷的超量摄取使溶液中的磷以聚磷的形式储存在胞内，从而达到除磷的目的，然而这种除磷形式不利于磷的回收，同时难以应对高盐等复杂的水质条件。因此需寻求新的除磷方法以克服传统生物除磷途径所存在的这些缺陷。由于海洋具有高盐等特点，海洋中微生物自身具有耐盐的性能，因此如果利用海洋微生物进行废水中磷的去除具有重大的实际应用价值。
　　胞外聚合物(EPS)可以有效吸附废水中的磷或者诱导形成金属磷酸盐沉淀，磷在胞外的积累有利于实现磷的回收，因此EPS在聚磷菌除磷系统中有不可或缺的作用。因此探究EPS在海洋菌除磷过程中的具体作用途径可以为废水中磷的去除与磷的回收提供新的见解与指导意义。
　　实验室前期研究表明，海洋高效除磷菌Shewanelle sp.CF8-6(CF8-6)对环境因素（温度、pH、DO、盐度以及C/N）有很宽的耐受范围，并且EPS中的磷含量占菌体总磷的比例可以达到50％。虽然EPS在CF8-6除磷过程中有很重要的作用，但是对于环境因素对菌体EPS特性的影响以及EPS在菌株除磷过程中所起作用的具体过程并不明确，因此本文在实验室前期研究的基础上对CF8-6的除磷过程进行了进一步探究，重点为EPS在菌株除磷过程中的作用途径以及影响因素。主要研究内容如下:
　　通过对菌株在不同来源及不同磷源废水的处理效能研究，得出了菌株对实际生活污水以及有机磷、无机磷和聚磷的模拟废水(P:10 mg/L)的除磷率都能高于90％，对模拟海水冲厕废水中的磷能去除12 mg/L左右。结果表明，CF8-6可以在生活污水中成为优势菌群，有应用于实际废水中的潜力。
　　通过对环境因素对EPS的含量组成以及在除磷过程中的作用的影响的探究证明CF8-6对环境有广泛适应性，能够在温度10-30℃，pH5-9，盐度1-7％，转速150-250 rpm条件下生长良好并取得较好的除磷效果。在环境条件对菌体生长产生胁迫作用时，菌株会分泌大量EPS来应对对自己不利的环境，因此与正常生长条件下相比，有更多的磷储存在EPS中。
　　通过CF8-6在不同碳氮比条件下对碳氮磷三种不同营养元素的同步去除情况以及不同Ca2+、Mg2+浓度对EPS特性与作用的影响推测了EPS的作用机理，并通过原子力显微镜、扫描电镜与电子能谱分析等形态与成分表征手段对推测的EPS作用机理进行了进一步的验证。结果表明，在除磷过程中胞外产生了大量的颗粒，颗粒中含有少量的Ca、Mg等金属离子，因此CF8-6可以诱导溶液中的金属离子和磷形成金属磷酸盐沉淀来达到磷去除的目的。但是EPS中的金属含量远远低于EPS中的磷含量，因此微生物诱导的金属磷酸盐沉淀不是EPS除磷的唯一途径。EDS结果表明，胞外颗粒的主要成分是C和O，没有N元素存在，因此推测EPS是通过对磷的网捕作用并在胞外形成有机磷颗粒的形式去除的，颗粒中磷主要与多糖相连，推测主要成分为磷酯。
　　本论文对CF8-6的除磷能力探究表明其在废水生物处理中具有很大的应用潜力。对废水中磷的去除与回收途径的探索提供新的见解，并对海洋沉积物中磷的种类、海洋磷循环的研究提供借鉴意义。

目录

声明

摘要

1．1 废水中磷的去除

1．2 生物除磷的研究现状及主要方法

1．2．1 生物同化

1．2．2 强化生物除磷

1．2．3 胞外生物磷沉淀

1．3 EPS

1．3．1 EPS的特征

1．3．2 EPS在环境及水处理中的作用研究

1．3．3 EPS在除磷中的作用

1．4 海洋微生物的应用

1．4．1 海洋微生物的特点

1．4．2 海洋微生物在水处理中的应用

1．5 研究目的及意义

2．1 实验试剂与仪器

2．2 实验菌株和培养基

2．3 实验内容及方法

2．3．1 菌株对不同废水的处理效能

2．3．2 环境因素对菌株除磷效率及EPS特性的影响

2．3．3 EPS在菌株除磷中的作用途径探究

2．3．4 EPS上磷积累形态

2．4 EPS提取方式

2．5 EPS中金属的解吸

2．6 化学分析方法

2．7 菌体及EPS形态、成分表征分析

第三章 菌株的除磷效能探究

3．1 菌株对不同废水的处理效能

3．1．1 菌株对实际生活废水及模拟海水冲厕废水的处理效能

3．1．2 菌株对不同磷源废水的处理效能

3．2 本章小结

第四章 环境因素对菌株除磷效率及EPS特性的影响

4．1 温度

4．2 碳源

4．3 pH

4．4 盐度

4．5 溶解氧(转速)

4．6 环境因素对磷在菌体中分布的影响

4．7 本章小结

第五章 EPS在CF8-6除磷中作用途径的探究

5．1 菌株对COD、TN与TP的同时去除能力

5．2 Ca2+、Mg2+浓度对EPS作用的影响

5．2．1 Ca2+浓度对EPS作用的影响

5．2．2 Mg2+浓度对EPS除磷作用的影响

5．3 CF8-6细胞及EPS形态表征

5．4 CF8-6细胞表面及EPS成分表征

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

硕士期间主要学术成果