甲烷基质膜生物反应器厌氧还原高氯酸盐的相关研究

摘要

高氯酸盐在国防工业、烟花制造、皮革加工、橡胶制造等产业中被广泛使用，大量含有高氯酸根的污水未经处理排入环境中。高氯酸盐进入人体后干扰人体甲状腺正常机能，造成神经损伤威胁人体健康，对婴幼儿影响尤为严重。去除水体中高氯酸盐污染物的方法主要包括物理、化学和生物法，其中生物法因其成本低廉、环境友好而受到人们的关注。生物还原高氯酸盐污染物又受到许多客观条件的限制，富集更高效的微生物菌群并优化其还原条件，是提高生物法修复效率的关键。微生物还原污染物需要电子产生“还原力”，而甲烷厌氧氧化就可向微生物提供所需的电子，二者结合不仅实现环境中高氯酸盐污染的修复，同时也可减少全球碳排放。
　　本研究利用甲烷基质中空纤维膜生物反应器，初始以亚硝酸盐(NO2-)作为电子受体进行生物膜富集，随后以高氯酸盐(ClO4-)为唯一电子受体以富集高效高氯酸盐还原菌群，并进一步研究该微生物菌群以甲烷为唯一的电子供体和碳源还原高氯酸盐的代谢动力学。经过40天富集培养后进行正式实验。当电子供体供给充足（10 psi甲烷，电子当量462.808 mmol e-当量/m2-d）时，可将1 mg/LClO4-及1.1 mg N/L NO3-完全还原;当反应器中存在2 mg N/L NO2-时，ClO4-还原受到抑制，去除率降至30％。当反应器中电子受体负荷增加至1 mg/L ClO4-+11.3mgN/L NO3-时，电子供体出现不足，微生物将优先还原NO3-。高通量测序结果表明，该反应器中，Methylocystis（甲基孢囊菌属）、Methylomonas（甲基单胞菌属）、Methylophilus（嗜甲基菌属）、Pelomonas和绿弯菌门不可培养的Chloroflexi是占主导地位的功能菌属。Methlocystis、Methylomonas为甲烷氧化菌，Methylomonas丰度在第1阶段未被检出，随着实验的送行持续培养使反应器中Methylomonas的丰度增加。Methlocystis在实验前期为反应器中主要甲烷氧化菌，但随着Methylomonas丰度的增加Methlocystis丰度逐渐下降。Methylophilus为甲醇氧化菌，经过一段时间的培养后出现出现在反应器中，同时Methylophilus可能具有还原高氯酸盐的能力。Pelomonas是还原污染物的主要功能菌，Pelomonas丰度在含有硝酸盐的阶段持续上升，Pelomonas在系统发育树上与已知的Dechloromonas高氯酸盐降解菌相近，推测参与了高氯酸盐还原过程。
　　笔者进一步研究了盐度对甲烷氧化耦合高氯酸盐还原的影响，并发现盐度对该生物还原过程影响显著。在电子供体足量的前提下，1％盐度（10g/L氯化钠）胁迫2 mg/L高氯酸盐及10 mg/L硝酸盐还原率从57.2％和91.9％下降至5.9％和55.9％。将反应器中盐度移除后，污染物还原率不能恢复到未受盐度影响的阶段。0.2％盐度（2g/L氯化钠）胁迫下单独以高氯酸根（硝酸根）为电子受体，2mg/L高氯酸盐（5mg/L硝酸盐）还原率仅为53.5％(59.1％)。通过扫描电子显微镜发现盐度对微生物形态造成不可逆损伤，盐环境下微生物出现破裂、褶皱、枝丫状和体积变小的损伤，同时破裂的细胞产生大量的胞外聚合物而和可溶性微生物产物。实时荧光定量PCR结果显示，盐度条件下反应器中微生物总量下降。高通量测序发现，盐胁迫改变了反应器中微生物菌落形态结构。Methylomonas（甲基单胞菌属）对盐度敏感，在非盐环境下相对丰度达到31.3％，1％盐度下相对丰度迅速下降至5.9％。随着Methylomonas丰度的减少Methlocystis（甲基孢囊菌属）的相对丰度增加，说明Methlocystis有一定的耐盐性。Methylophilus（嗜甲基菌属）在1％盐度条件下相对丰度达到9％，但在其他阶段Methylophilus的丰度却很低，推测Methylophilus对盐度的毒害耐受性较好，同时在系统发育树上与Dechloromonas agitate相近，推测Methylophilus在盐条件下承担了主要的高氯酸盐还原和反硝化作用。1％盐胁迫下反应器中耐盐菌Xanthomonadaceae（黄单胞菌属）相对丰度升高至11.5％，Xanthomonadaceae在系统发育树上与具有反硝化功能的Thermomonas haemolytica相近，推测Xanthomonadaceae参与反硝化过程。
　　环境pH和铜离子浓度对微生物厌氧氧化耦合高氯酸盐还原的影响十分明显，适宜的pH和铜离子浓度可以促进微生物的生长提高还原效率。实验证明当环境pH为7～8时高氯酸盐还原率最高，向反应体系中添加≤100μg/L铜离子将促进高氯酸盐还原。

目录

声明

论文说明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 环境中高氯酸盐的来源

1．1．2 高氯酸盐的性质

1．1．3 高氯酸盐的危害

1．2 高氯酸盐的去除方法

1．2．1 吸附法

1．2．2 膜分离法

1．2．3 离子交换

1．2．4 电化学还原法

1．2．5 生物法

1．3 高氯酸盐检测方法

1．4 本课题的研究意义及主要内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 技术路线

1．4．3 本课题主要研究内容

2 甲烷基质的中空纤维膜生物反应器还原高氯酸盐

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验试剂及仪器

2．2．3 反应器搭建

2．2．4 实验方法

2．2．5 采样及分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 甲烷氧化耦合高氯酸盐还原

2．3．2 电子供体对甲烷氧化耦合高氯酸盐还原的影响

2．3．3 竞争性电子受体对甲烷氧化耦合高氯酸盐还原的影响

2．3．4 功能基因分析

2．3．5 微生物菌落结构

2．4 小结

3 盐度对甲烷基质膜生物反应器的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验试剂及仪器

3．2．3 反应器搭建

3．2．4 实验方法

3．2．5 采样及分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 盐度对甲烷氧化耦合高氯酸盐硝酸盐同步还原的影响

3．3．2 盐度对微生物形态的影响

3．3．3 盐度对微生物菌落结构的影响

3．4 小结

4 环境条件对商氯酸盐还原影响的研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验试剂及仪器

4．2．3 不同pH值条件下甲烷基质高氯酸盐还原实验

4．2．4 不同铜离子浓度值条件下甲烷基质高氯酸盐还原实验

4．2．5 采样及测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同pH值条件下甲烷基质高氯酸盐还原

4．3．2 不同铜离子浓度值条件下甲烷基质高氯酸盐还原

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 主要创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

硕士期间主要成果