ZVI-微生物耦合工艺降解氯代硝基苯微生物分子生态研究

摘要

氯代硝基苯是一类毒性大、难生物降解并具有三致效应的典型持久性有机污染物,被美国EPA、欧共体等列为优先控制污染物。零价铁(Zero-valent iron,ZVI)作为一种强还原剂能还原转化含硝基芳烃、RDX、偶氮染料等污染物,将硝基还原转化为氨基,但不能完全矿化有机污染物,为使有机污染物彻底脱毒和无害化,ZVI还原转化必须耦合对机污染物具有矿化作用的生物或化学氧化等过程。本文以2-氯硝基苯(2-CNB)为研究对象,建立ZVI还原转化-SBR好氧降解耦合工艺,研究结果表明该工艺可强化氯代硝基苯类污染物降解。采用PCR-DGGE技术分析SBR2、SBR1分别处理目标污染物2-CNB及ZVI还原产物(2-氯苯胺,2-CA)过程中微生物群落动态变化及种群多样性,在分子水平上表征活性污泥的微生物群落结构,明确污泥微生物菌群对2-CNB及其ZVI还原产物存在不同的选择响应。对两个SBR反应器不同运行时段的污泥样品细菌16S rDNA V3可变区扩增产物进行DGGE分析。结果表明,在2-CA、2-CNB降解过程中,反应器中污泥微生物群落结构发生了较为复杂的变化,接种污泥中的大部分条带逐渐消失并出现新的特异性条带。另外SBR1、SBR2污泥出现了不同微生物菌群,这与降解不同污染物(2-CA、2-CNB)的优势菌群发育相关。DGGE图谱相似性分析表明,各时段(分别为第0、8、20、32、41、52、60天)污泥样品其微生物群落结构发生了一定的变化。SBR1反应器污泥样品细菌组成相似性Cs在22％-88.2%之间,SBR2反应器污泥样品细菌组成相似性Cs在31.7%-83.9%之间。反应运行初期,接种污泥微生物对2-CA、2-CNB毒性响应慢,微生物种群演替迟缓,两个反应器内第8天与第20天污泥样品细菌相似性分别达88.2%、77.0%。随着反应系统运行时间的延长,系统中微生物菌群结构相似性又逐渐提高,表明污泥微生物群落结构渐趋稳定。根据DGGE比较图谱发现,两个SBR反应器污泥微生物种群多样性都相当丰富,Shannon多样性指数、EI指数分析表明SBR1反应器中(S=2.36-2.94,EI=0.92-0.98),SBR2反应器中(S=2.45-2.95,EI=0.9-0.969)。这种高生物多样性能有效维持废水处理系统稳定运行。为进一步了解污泥微生物种群结构的具体组成,回收DGGE特异性条带进行测序,结果表明SBR1、SBR2反应器污泥微生物种群组成存在明显差异。降解2-CA的SBR1反应器污泥主要菌群分别属于β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、ε-Proteobacteria、Flavobacteriales、Sphingobacteriates、Planctomvcetales、Acidobacteria等类群,主要优势菌为Pseudomonas sp.、Flavobacterium sp.、Acidobacteria bacterium等菌。降解2-CNB的SBR2反应器污泥菌群主要属于β-Proteobacteria、ε-Proteobacteria、Sphingobacteriales、Flavobacteriales等类群,并形成了以Flexibacter sp.、Flavobacterium sp.、Pseudomonas sp.等为主要优势菌的稳定种群结构。相对于SBR2,SBR1污泥具有较为丰富的微生物种群结构,这对整个生物降解系统的稳定操作非常重要。

目录

摘要

Abstract

1 前言

1.1 ZVI还原转化耦合微生物降解研究

1.1.1 ZVI还原转化原理

1.1.2 零价铁还原与微生物降解的耦合

1.2 氯代芳烃类化合物的生物降解研究

1.2.1 氯代(硝基)芳烃类化合物的降解菌

1.2.2 氯代芳烃化合物的生物降解机制

1.2.3 氯代芳烃类化合物的主要生物处理工艺

1.3 废水生物处理的微生物分子生态研究

1.3.1 PCR-DGGE技术原理及在废水生物处理中的应用

1.3.2 16S rDNA克隆文库分析

1.3.3 荧光原位杂交技术(FISH)

1.4 本课题研究内容与意义

2 ZVI固定床-SBR耦合降解氯代硝基苯的研究

2.1 实验装置与方法

2.1.1 实验装置

2.1.2 反应器操作参数

2.1.3 分析方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 ZVI固定床-SBR1耦合工艺运行性能

2.2.2 对照 SBR2反应器运行性能

2.3 小结

3 SBR反应器污泥微生物分子特性研究

3.1 实验流程

3.2 实验材料

3.3 实验方法

3.3.1 污泥样品准备和总DNA提取

3.3.2 PCR扩增

3.3.3 变性梯度凝胶电泳

3.3.4 割胶回收DNA片段及 PCR扩增

3.3.5 克隆和测序

3.3.6 变性梯度凝胶电泳(DGGE)胶 DNA条带分析

3.4 结果与讨论

3.4.1 细菌总 DNA提取的检测

3.4.2 PCR扩增产物检测

3.4.3 SBR1反应器污泥微生物群落动态变化

3.4.4 SBR2反应器污泥微生物群落动态变化

3.4.5 两个 SBR反应器污泥微生物群落结构动态变化比较分析

3.4.6 SBR反应器污泥微生物种群多样性分析

3.5 小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.1.1 ZVI-SBR1耦合工艺及对照 SBR2反应器运行性能

4.1.2 SBR反应器污泥微生物群落动态变化

4.1.3 SBR反应器污泥微生物种群多样性

4.2 展望

参考文献

致谢