水源水库中好氧反硝化菌的筛选及脱氮性能研究——以周村水库为例

摘要

近年来，随着好氧反硝化菌的发现，颠覆了人们对生物反硝化脱氮过程的传统认识，生物好氧反硝化脱氮也成为当前研究热点。已有研究表明，好氧反硝化菌在自然环境中广泛存在，其耐氧适应性强，可利用碳源范围广，在自然水体生物修复方面极具应用潜力，然而，目前有关好氧反硝化菌的应用研究主要集中于高浓度废水生物处理系统，关于好氧反硝化菌群对于天然水体，特别是水源水库的脱氮研究报道很少。本文针对水源水库氮污染以及内源污染厌氧释放问题，将生物净化和扬水曝气充氧技术有机结合，从周村水源水库沉积物中筛选出高效好氧反硝化菌株，研究它们的脱氮特性、途径及产物，根据生态重组战略构建功能菌群，获得能够在水源水库原水脱氮实验中具有较好好氧反硝化脱氮性能的混合菌剂。该菌剂可以结合扬水曝气供氧技术，在控制内源污染厌氧释放的同时，有效强化水源水中总氮去除效能。
　　本研究主要内容包括：⑴好氧反硝化细菌的驯化、筛分。采用不同的反硝化菌富集驯化方法，从微污染水源水库的沉积物中获得693株菌株，从中筛选出33株高效的好氧反硝化菌。16S rDNA测序鉴定结果显示33株好氧反硝化菌株属于八大类不同属种，其中Pseudomonas spp.、Bacillus spp.、Acinetobacter spp.、Zoogloea spp.是目前报道较多的具有好氧反硝化特性的菌属；关于发现Sinorhizobium spp.、Iron-reducing spp.具有好氧反硝化特性报道则较少；而Streptomyces spp.及Ensifer spp.则是本研究最新在饮用水源水库发现并首次报道的具有好氧反硝化特性的2类新菌属。⑵优势菌株的脱氮特性及机理分析。结合周质硝酸盐还原酶亚基基因（napA）的PCR扩增检测，从初筛的33株好氧反硝化菌中复筛出8株菌：ZF10、ZF31、WP1、WP27、WP129、WP152、WP278、WP404。从反硝化功能基因扩增检测、好氧反硝化过程氮平衡计算、RSM方法构建脱氮效率与环境因子的数学模型以及异养硝化特性、氧气耐受能力测定等方面对优选菌株脱氮性能进行深入分析，为将菌种应用于微污染水源水生物脱氮提供理论指导和依据。结果表明，6株优势WP菌株在DO：1.6±0.5~7.8±0.5mg/L范围内，氮去除率始终保持在55％以上，说明菌株对氧气耐受范围较广。菌株WP1、WP27、WP278同时具有异养硝化-好氧反硝化特性。菌株ZF31基因组可以扩增出napA、nirS、nirK、norB、 nosZ功能基因，是可以进行完全反硝化作用(终产物为 N2)的微生物；氮平衡计算结果表明ZF31在好氧反硝化过程中，大约19.78±2.10%的硝氮转化成为细胞内氮，约75%的氮被转化为气体产物；利用RSM法构建反硝化脱氮数学模型，分析得到 ZF31反硝化脱氮最优条件为：C/N比为6.68,温度为27.72 ℃，转速为54.15转/分，初始pH值为8.23。根据在最优条件下的模型预测，最大的总氮脱除率为90.96%。模型预测结果表明ZF31在低C/N（=3）、低温（=10 ℃）下仍有较高脱氮能力，具有应用于水源水环境修复的前景和潜力。⑶贫营养脱氮功能菌群的构建。为应对微污染水源水库复杂的环境问题，根据生态重组策略，利用8株优势菌株构建了26组功能菌群，考察各菌群在贫营养配水中的脱氮效果，复合菌群L2的NO3--N和TIN的去除率分别达到67.3%和59.6%，L9的NO3--N和TIN的去除率分别达到70.2%和60.3%，选择复合菌剂L2和L9进行水库原水脱氮实验。⑷复合菌剂在微污染水源水库原水中的脱氮效能及生态影响分析。将复合菌剂L2和L19投加在水库原水反应器中进行原水脱氮实验，结果发现，溶解氧为3~4mg/L时投加复合菌剂 L19进行水库原水脱氮是最为经济、有效的，稳定运行期的总氮去除率达到44.54%~54.46%，浓度维持在0.771~0.939mg/L之间，满足《地表水环境质量标准》GB3838-2002Ⅲ类水质量要求。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外好氧反硝化菌研究进展

1.3 水源水库原位生物脱氮技术难点及技术对策分析

1.4 研究背景及内容

2 周村水库好氧反硝化菌的富集、驯化与筛选

2.1 好氧反硝化菌富集驯化方法的确定

2.2 实验方法与材料

2.3 DM培养基富集、筛选好氧反硝化菌

2.4 选择性反硝化培养基富集、筛选好氧反硝化菌

2.5 本章小结

3 优势好氧反硝化脱氮菌的特性研究

3.1 反硝化功能基因的扩增及反硝化途径研究

3.2 好氧反硝化过程氮平衡计算

3.3 RSM方法构建菌株脱氮效率模型

3.4 WP优势菌的异养硝化特性

3.5 溶解氧对WP优势菌株反硝化特性的影响

3.6 本章小结

4 基于微污染水源水体特征的功能菌群构建

4.1 极端环境功能菌群构建策略

4.2 自适应策略驯化ZF贫营养脱氮菌群

4.3 生态重组策略构建贫营养脱氮功能菌群

4.4 本章小结

5 菌剂投加修复周村水库原水试验研究

5.1 试验装置

5.2 试验材料及方法

5.3 试验系统设置及运行条件

5.4 试验结果

5.5 本章小结

6 结论、创新点及建议

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 建议

致谢

参考文献

攻读博士期间的主要科研成果

一、发表论文

二、发明专利授权

三、科研情况