乙烯基类聚合物对活性污泥中微生物群落演替的影响研究

摘要

工业化学品的生物降解性评价及环境友好性评价是长期以来我国化学品管理亟待解决的问题，而乙烯基类聚合物作为一类重要的皮革化学品在生物降解性的相关研究较少。本论文以乙烯基类聚合物鞣剂和涂饰剂为对象，对其在好氧生物处理过程中的降解及其对活性污泥中的微生物群落结构的影响进行了研究。研究选取了3种不同结构的乙烯基类聚合物鞣剂，分别为PDM（编号LY-1）、PDM-AA-AM-HEA（编号LY-5）以及PDM-AA-AM-HEA与纳米ZnO复合产物(编号LY-8)，同时选取了2种乙烯基类涂饰剂，分别为聚丙烯酸酯(LJL-2)以及聚丙烯酸酯与纳米ZnO复合物（LJL-3），设置了500mg/L和1000mg/L两个CODCr浓度梯度，采用好氧活性污泥法在实验室模拟条件下进行了30d的降解实验，实验中分别通过化学品在水中的CODCr浓度、活性污泥的脱氢酶及总蛋白质浓度的变化，考查了这些材料的降解性及其对微生物活性的影响，在此基础上，使用PCR-DGGE的手段对于降解过程中微生物群落结构演替的进行了分析。
　　研究结果表明，3种不同结构的乙烯基类鞣剂中，纳米复合的LY-8较之其前体材料LY-5(PDM-AA-AM-HEA)表现出较好的降解性，LY-5在3个材料中降解率最低。当CODCr浓度为500mg/L时，LY-1、LY-5和LY-8在30d时间里CODCr减少率分别为43.5％、34.7％和58.3％，当CODCr浓度为1000mg/L时，CODCr减少率分别为47.6％、-5.1％和54.8％。三种鞣剂在降解过程中，对活性污泥中的微生物在不同程度上均有显著的抑制作用，LY-5组在两个浓度梯度下脱氢酶和蛋白质浓度均很低，实验后期活性污泥发生了解体现象;LY-1对好氧活性污泥的抑制与受试物浓度有关;LY-8降解过程中污泥的蛋白质和脱氢酶浓度有延迟性的升高。聚丙烯酸酯涂饰剂(LJL-2)及其ZnO复合涂饰剂(LJL-3)的降解性均好于以上三种鞣剂，实验前期，LJL-2和LJL-3的CODCr浓度均迅速下降，它们先被活性污泥大量吸附后再发生生物降解，LJL-2、LJL-3实验组污泥中蛋白质浓度和脱氢酶浓度的变化曲线与葡萄糖基培养实验中变化曲线基本一致，表现出良好的生物降解性，对活性污泥中微生物生长的抑制作用较小。
　　利用PCR-DGGE对上述化学品降解过程中污泥相微生物群落结构变化的研究表明，原始的活性污泥中微生物群落结构丰富，群落分布较为广泛。以上5种化学品加入后，活性污泥中拟杆菌门的比例均发生递减现象。由于污泥的微生物群落结构中拟杆菌门是绝对优势菌群，上述聚合物的加入改变了微生物原有的生长环境，表明拟杆菌门对环境的适应性较弱。相对于LJL-2和LJL-3，LY系列对微生物群落结构的变化影响更为显著，LY系列的加入导致微生物群落中的绿菌门发生消失，LY-1和LY-5中绿菌门的消失均发生在120h到720h之间，LY-8中则发生在0h到120h之间。虽然LY-8在LY系列中降解性最好，但是对绿菌门的抑制作用也最为显著。研究发现，在LY系列实验组中厚壁菌门的比例随培养期间延长逐渐增大，由此说明在本实验条件下厚壁菌门在所有菌门中属于较强耐受性的种群;LJL-2、LJL-3的加入对微生物群落结构的影响较小，绿菌门、厚壁菌门的比例在降解过程中无明显变化，表明LJL系列物质对微生物的生长环境并没有引起大的改变，依旧适合微生物生长。
　　在乙烯基类聚合物对微生物群落结构影响研究的基础上，选取了微生物演替过程中变形菌门和厚壁菌门中的代表性菌株:克雷伯氏肺炎菌和芽孢杆菌，进行纯菌株的毒理实验。五种受试材料添加并未改变培养体系的pH变化，排除了因pH变化造成的纯菌生长抑制现象。五种材料对克雷伯氏肺炎菌的生长均有显著的抑制作用，抑制的效果与添加的浓度成正比。LY系列物质对芽孢杆菌生长抑制作用不显著，而LJL系列物质表现出显著的抑制作用，此结果与厚壁菌门对LY系列材料的高耐受性结果一致。将两种菌混合培养时，芽孢杆菌的生长受抑制，克雷伯氏肺炎菌成为该体系中的优势菌种。

目录

摘要

1 绪论

1．1 鞣制机理及鞣剂种类

1．2 乙烯基类聚合物鞣剂研究现状

1．2．1 乙烯基类聚合物鞣荆的定义及分类

1．2．2 乙烯基类聚合物鞣剂的鞣制机理

1．2．3 乙烯基类聚合物鞣剂研究及应用进展

1．3 聚合物生物可降解性及其生物效应的研究进展

1．3．1 生物降解性

1．3．2 微生物降解的潜力

1．3．3 生物降解机理及生物降解性评价指标

1．3．4 影响生物降解的因素

1．3．5 乙烯基类聚合物的生物降解研究

1．4 环境微生物群落结构的研究进展

1．4．1 DNA指纹图谱技术

1．4．2 基因克隆文库法

1．5 选题目的、意义与内容

1．5．1 目的和意义

1．5．2 研究内容

2 乙烯基类聚合物在好氧生化系统中降解性研究

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 材料

2．2．2 实验装置和运行条件

2．2．3 水质分析方法

2．3 结果与分析

2．3．1 活性污泥微生物中的形态表征

2．3．2 乙烯基聚合物的好氧降解性分析

2．3．3 乙烯基聚合物降解过程中脱氢酶的变化

2．3．4 乙烯基聚合物降解过程中蛋白质的变化

2．4 本章小结

3 乙烯基类降解过程中活性污泥微生物群落变化

3．1 前言

3．2 PCR-DGGE分析及分析方法

3．3 结果与分析

3．3．1 PDM对污泥中微生物群落结构演替的影响

3．3．2 PDM-AA-AM-HEA对污泥中微生物群落结构演替的影响

3．3．3 PDM-AA-AM-HEA／ZnO对污泥中微生物群落结构演替的影响

3．3．4 丙烯酸酯乳液对污泥中微生物群落结构演替的影响

3．3．5 聚丙烯酸酯／ZnO复合乳液对污泥中微生物群落结构演替的影响

3．4 本章小结

4 乙烯基类聚合物的毒理效应研究

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 培养基的配制

4．2．3 实验方案

4．2．4 实验测定指标

4．3 结果与分析

4．3．1 乙烯基类聚合物降解过程中对于克冒伯氏肺炎菌的影响

4．3．2 乙烯基类聚合物降解过程中对于芽孢杆菌的影响

4．3．3 乙烯基类聚合物降解过程中对于混合菌株的影响

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文和获得的专利目录

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