甲烷基质膜生物反应器中钒酸盐的生物还原及胞外聚合物的响应

摘要

钒(Ⅴ)是地壳中含量与锌相当的过渡金属元素，广泛分布于含钒矿物如钒钛磁铁矿、钒铀矿以及含碳化石有机物中，在金属冶炼、电池生产、化学工业、生物医学等领域中有着广泛应用。尽管钒是生物细胞必不可少的元素，但当生物体内含量超过1mg L-1时就会产生毒性。由于钒酸盐与磷酸盐具有相近的化学结构，过量钒酸盐在人体内存在会抑制磷酸盐代谢酶的活性，从而破坏细胞正常的形态和功能，损伤人体呼吸系统、消化系统和神经系统。与V(Ⅴ)相比，V(Ⅳ)毒性低且易沉淀，可以通过离心过滤等方法从水体中去除，因此，将V(Ⅴ)还原为V(Ⅳ)沉淀是实现废水中钒酸盐脱毒的可行方法。
　　国内外对水体中钒酸盐的去除方法主要包括物理法、化学法和生物法，其中生物处理手段反应条件温和、成本低廉、环保无污染，成为近些年来的研究热点。某些微生物能以无机物（如氢气）和有机物（如甲醇、乳酸等）为电子供体进行钒酸盐的还原，实现水体中钒酸盐污染的去除，如能实现利用甲烷作为电子供体和碳源驱动钒酸盐生物还原，则既能去除水体中的污染物，又有效地减少了温室效应气体甲烷的排放。
　　本实验以甲烷基质膜生物反应器(CH4-MBfR)为载体，以微好氧甲烷氧化反硝化培养物为接种源，添加V(Ⅴ)的模拟废水以富集钒酸盐还原菌群。实验过程中甲烷供应量充足，四个阶段中V(Ⅴ)进水浓度分别为2、5、10、5mg L-1。反应中微生物还原钒酸盐能力持续增长。当进水污染物表面负荷为668mg m-2day-1时，稳态时去除通量高达420mg m-2day-1，去除率为63％。高浓度负荷后将进水V(Ⅴ)浓度重新降低到5mg L-1（表面负荷363mg m-2day-1），污染物能够被100％去除。本实验证实了CH4-MBfR中的微生物能以甲烷为唯一的电子供体，实现对钒酸盐的去除。
　　V(Ⅴ)的还原刺激了微生物细胞外聚合物(EPS)的分泌。实验样品中EPS的主要成分蛋白质、多糖和腐殖酸类物质浓度均高于初始培养物。EPS中这些组分的浓度在阶段1，2和4中逐渐增加，含量变化趋势与钒酸盐去除效果有很好的相关性，但在V(Ⅴ)表面负荷很高(668mg m-2day-1)的情况下，EPS含量会明显减少。利用三维荧光光谱技术(3D-EEM)以及傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)对EPS进行分析，结果表明，微生物细胞分泌的EPS主要成分为色氨酸和腐殖酸物质，这两种物质在保护微生物细胞并结合V(Ⅴ)的过程中扮演着重要角色。FTIR结果显示，多糖和腐殖酸中的OH-、COO-为EPS中的主要功能基团，在钒酸盐浓度升高时光谱图像的峰强度明显增大，表明在不利环境条件下这两个基团起到了维持细胞的正常生理功能的作用。通过扫描电子显微镜(SEM)表征生物膜表面形态，发现膜上有大量矿物质沉淀，能量色散X射线光谱(EDS)以及X射线光电子能谱(XPS)分析证明这些沉淀物质很可能是被还原后的沉淀态V(Ⅳ)，且出水中未检测到可溶解态V(Ⅳ)，说明V(Ⅴ)被完全还原为V(Ⅳ)沉淀。
　　高通量测序结果显示，反硝化甲烷氧化菌Methylomonas(Gammaproteobacteria)和雌甾二醇降解反硝化菌Denitratisoma(Betaproteobacteria)的相对丰度与V(Ⅴ)去除通量有很强的相关性，由于一些反硝化菌中的硝酸盐还原酶具有还原钒酸盐的能力，推测这两种菌对体系中钒酸盐的还原起到了重要作用。在生物膜上甲烷氧化菌Methylomonas和Methylococcus在生物膜上产生了富集，这两种菌很可能在体系中行使了甲烷氧化的功能。甲醇氧化菌Methylophilu（嗜甲基菌属）在体系中产生了富集，表明在反应中甲烷很可能是被氧化产生了中间产物甲醇，甲醇作为电子供体被进一步用于钒酸盐的还原。

目录

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论文说明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 钒及其化合物

1．1．2 环境中钒酸盐的来源

1．1．3 钒酸盐的危害

1．2 钒酸盐的去除方法

1．2．1 钒酸盐的物理化学去除方法

1．2．2 钒酸盐的生物去除方法

1．3 微生物甲烷氧化过程

1．4 胞外聚合物在降解有毒重金属污染中的作用

1．5 本课题的研究意义和主要内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 技术路线

2 甲烷氧化耦合钒酸盐还原动力学研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 实验装置

2．2．3 模拟废水

2．2．4 反应器的启动与运行

2．2．5 采样与化学分析

2．2．6 通量计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 各阶段电子供体的量对实验的影响

2．3．2 甲烷氧化耦合钒酸盐的生物还原

2．4 本章总结

3 胞外聚合物在甲烷氧化耦合钒酸盐过程中的响应

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料与仪器

3．2．2 EPS的提取

3．2．3 EPS的量化和表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同V(Ⅴ)浓度下EPS的变化

3．3．2 EPS在V(Ⅴ)还原和结合过程中的作用

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验仪器

4．2．2 生物膜样采集

4．2．3 DNA提取

4．2．4 扫描电镜分析

4．2．5 Illumina测序分析

4．2．6 功能基因预测分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 CH4-MBfR中的V(Ⅳ)沉淀特性

4．3．2 微生物群落结构评估

4．3．3 PICRUST预测功能基因变化

4．4 本章总结

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

硕士期间主要成果