NaCl盐度对ANAMMOX-EGSB反应器性能及AnAOB的影响机理研究

摘要

厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺因其高效?低能耗、耐受氮负荷高且污泥产量低等优势，在废水生物脱氮领域具有广阔的应用前景，适合处理高含氮废水，在工业废水的脱氮处理中也极具优势。然而，工业废水中往往含有较高的盐度，但盐度对厌氧氨氧化工艺性能影响的研究不多，盐度对厌氧氨氧化菌（AnAOB）的抑制及其适应机理的认识尤为缺乏，不利于厌氧氨氧化工艺处理含盐废水的应用。　　本文以ANAMMOX-EGSB反应器为研究对象，设置了不同NaCl盐度进行研究。将进水盐度从0 g/L依次提升至15 g/L及30 g/L，探讨了盐度对反应器性能的影响，考察了不同盐度下颗粒污泥特性差异及微生物群落变化。研究了盐度对厌氧氨氧化体膜中包含的特殊磷脂——梯烷脂的种类及含量的影响，从微生物生理角度阐述了盐度对AnAOB的影响；开展了不同盐度对氮转化关键酶NarGH、NirS、Hzo活性的影响试验，结合SAA试验和关键酶丰度的分析，从酶催化的角度揭示了盐度对AnAOB的影响；通过基因功能预测分析技术，从COGs蛋白功能和KEGG代谢通路进行了深入的数据挖掘，通过显著性差异分析找出盐度条件下受到显著影响的相关蛋白和代谢通路，从蛋白功能和代谢通路层面论述了盐度对AnAOB的影响。　　① 盐度条件下反应器性能的试验结果表明，两次盐度提升过程中脱氮性能均先下降，后随着运行时间的延长又都可恢复，总氮去除率可恢复至85%以上，表明盐度可对AnAOB产生抑制，而AnAOB也可适应盐度。盐度条件主要影响厌氧氨氧化反应器对氨氮的去除，对亚硝氮的去除影响较小。盐度条件下反应器颗粒污泥呈椭球形，表面凹凸不平，其平均粒径随运行时间延长其粒径增大，但30 g/L盐度下颗粒污泥平均粒径则小于不含盐颗粒污泥。长期盐度条件下颗粒污泥EPS总量降低，其中蛋白质含量降低而多糖含量增加，PN/PS比减小，颗粒污泥悬液的接触角增大，Zeta电位绝对值增大，表明盐度对颗粒污泥的聚集产生了影响。　　②不同盐度下的微生物多样性分析结果表明，与0 g/L盐度相比，盐度条件下颗粒污泥微生物的多样性降低且微生物种类有显著差异。颗粒污泥中浮霉状菌门、变形菌门、绿弯菌门为微生物优势菌门，累计丰度超过80%。随盐度增加，浮霉状菌门丰度增加，变形菌门丰度降低，变形菌门丰度先降低后增加。颗粒污泥中共检测到了Candidatus Kuenenia、Candidatus Jettenia、unclassified Brocadiaceae 3个AnAOB属，盐度条件下AnAOB丰度仍可随运行时间延长而增加，Candidatus Kuenenia属丰度最高为优势属。盐度条件下伴生菌对AnAOB功能的发挥提供了支撑。　　③ 优化了从反应器污泥中提取和检测完整梯烷脂的方法，盐度条件下对AnAOB 梯烷脂的研究结果表明，盐度提升过程中颗粒污泥完整梯烷脂种类没有差异。梯烷脂I相对含量在提升盐度后先下降后上升，表明AnAOB在盐度提升后存在先死亡后增长的过程。盐度提升过程中梯烷脂Ⅱ/Ⅲ值呈上升趋势，表明厌氧氨氧化体膜对水的通透性有所降低，以防止细胞器失水维持细胞正常功能。盐度提升过程中含有两条梯烷支链的完整梯烷脂相对含量差异不显著，表明盐度提升过程中厌氧氨氧化体膜致密性没有显著变化。　　④ 以等盐度条件下的NarGH、NirS、Hzo酶活为100%，不同盐度测试条件下氮转化关键酶活性的试验结果表明，盐度对NarGH酶活存在抑制，但盐度降低后可缓解，对 NirS 没有显著影响，而盐度的明显提升和降低均会对 Hzo 酶产生抑制，且盐度明显提升对 Hzo 酶活抑制显著。SAA 试验结果表明，盐度提升对SAANH4+-N的抑制程度大于SAANO2--N，盐度降低时SAANH4+-N明显降低，而SAANO2--N无明显变化。长期盐度条件下AnAOB胞内NarGH酶及NirS酶的丰度及氨氮及亚硝氮转运蛋白丰度增加，体现了AnAOB对长期盐度胁迫的适应。　　⑤ 对不同盐度下COGs蛋白功能预测结果进行显著性差异分析，找出了盐度下功能蛋白丰度下调和上调的种类，其中下调的功能蛋白表征了盐度对 AnAOB的抑制，主要为胞内修复和能量产生功能的抑制。上调的功能蛋白表征了AnAOB对盐度的适应，表明AnAOB可通过增强代谢，提高细胞膜稳定性、增强无机离子转运来适应盐度。对不同盐度下KEGG代谢通路预测结果进行比值比分析，找出了盐度下代谢通路丰度下调和上调的种类，其中下调的通路表征了盐度对AnAOB 的抑制，主要为胞内糖和脂质代谢障碍、膜内外物质转运及运动能力的降低。上调的通路表征了AnAOB对盐度的适应，表明AnAOB可通过强化胞内物质及能量转化、细胞壁合成、关键辅因子（卟啉）代谢，增强胞内核酸代谢及基因修复，以及改变群体行为对盐度进行适应。　　本文较系统地研究了盐度对 ANAMMOX-EGSB 反应器脱氮性能、颗粒污泥特性、微生物群落、梯烷脂、氮转化关键酶、COGs功能蛋白和KEGG代谢通路的影响，从生理、生化、代谢等层面揭示了盐度对 ANAMMOX-EGSB 反应器性能及AnAOB的影响机理，研究成果可为厌氧氨氧化工艺应用于含盐废水的处理提供理论支撑。

目录

1 绪论

1.1 厌氧氨氧化工艺

1.1.1 厌氧氨氧化脱氮原理

1.1.2 厌氧氨氧化工艺影响因素

1.2.1 厌氧氨氧化菌种类

1.2.2 厌氧氨氧化菌细胞结构及特征

1.2.3 厌氧氨氧化菌研究技术

1.3.1 盐度对厌氧氨氧化工艺影响的研究进展

1.3.2 盐度对AnAOB影响的研究进展

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术路线

2 盐度对反应器运行性能及颗粒污泥特性的影响

2.1 材料与方法

2.1.1 试验装置与方案

2.1.2 测定指标与方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 盐度对反应器脱氮性能的影响

2.2.2 盐度对ANAMMOX-EGSB反应器颗粒污泥特性的影响

2.3 本章小结

3 盐度条件对ANAMMOX-EGSB反应器微生物群落的影响

3.1.1 污泥来源

3.1.2 测试方法

3.1.3 数据处理

3.2 结果与讨论

3.2.1 微生物高通量测序质控

3.2.2 盐度对厌氧氨氧化颗粒污泥Alpha多样性的影响

3.2.3 盐度对厌氧氨氧化颗粒污泥群落门水平的影响

3.2.4 盐度对厌氧氨氧化颗粒污泥群落属水平的影响

3.3 本章小结

4 盐度条件下AnAOB梯烷脂的影响研究

4.1 梯烷脂概述

4.2 材料与方法

4.2.1 污泥来源与试验方案

4.2.2 测试方法

4.2.3 数据处理

4.3 结果与讨论

4.3.1 完整梯烷脂的提取和验证

4.3.2 盐度提升对PC首基完整梯烷脂的影响

4.4 本章小结

5 盐度条件下AnAOB氮转化关键酶活性的影响研究

5.1.1 污泥来源

5.1.2 测试指标与方法

5.1.3 数据处理

5.2 结果与讨论

5.2.1 氮转化关键酶活性

5.2.2 氮转化关键酶丰度

5.2.3 氮素转运蛋白丰度

5.2.4 比厌氧氨氧化活性

5.2.5 氮转化关键酶的影响机理

5.3 本章小结

6 AnAOB代谢的基因功能预测研究

6.1.1 污泥来源

6.1.2 测试项目及方法

6.1.3 数据处理

6.2 结果与讨论

6.2.1 COGs功能蛋白预测分析

6.2.2KEGG pathway预测分析

6.3 盐度对反应器性能及AnAOB的影响机理

6.4 本章小结

7 结论与建议

7.1 主要结论

7.2 本文创新点

7.3 建议

参考文献

附录

A. 英文缩写对照表

B. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

C. 作者在攻读学位期间申请的专利

D. 学位论文数据集

致谢