中空纤维膜生物反应器富集反硝化厌氧甲烷氧化菌群的研究

【摘要】：甲烷厌氧氧化(AOM)对控制全球厌氧环境中甲烷的排放起到非常重要的作用.最近报道发现,在陆地淡水环境中也可以发生耦合反硝化的甲烷厌氧氧化过程(DAMO).该过程可以由一种称为NC10的DAMO细菌在有或者没有DAMO古菌(ANME)下完成,但是该类菌群对富集条件要就严格、倍增时间长且难以纯培养.已经报道的DAMO过程富集的时间非常漫长(5-16月),DAMO菌群的反硝化功能需要经历长时间的富集培养才会表现出来且其反硝化速率低,这可能是因为甲烷在水中的溶解度低以致DAMO过程受甲烷传质的限制. 本课题是利用中空纤维反应器膜丝的特殊结构增加甲烷的传质能力来试图快速富集DAMO菌群.实验采取位于珠江三角洲的佛山容桂河流和长江三角洲的无锡太湖与苏州独墅湖底泥作为接种源.实验发现接种三个地点底泥的中空纤维膜反应器在很短的时间(2个月)内都成功地表现出DAMO过程.容桂反应器反硝化速率最终达到30mg N L-1d-1,独墅湖反应器反硝化速率抑制前可以达到60mg N L-1d-1,抑制后最终为40mg N L-1d-1,太湖反应器因没有受到抑制其反硝化速率高达60mg N L-1d-1,该三个反应器的反硝化速率远远地高于已报道的DAMO反硝化速率.与batch小瓶实验相比,相同生物量的微生物,中空纤维膜反应器承受更高的硝氮负荷,高达到200mg N L-1,而前者不到30mg N L-1.但是,当硝氮负荷高于240mg N L-1,反应器中明显有亚硝氮的积累,且反应器中的微生物受到积累亚硝氮的抑制. 太湖反应器中的微生物关于细菌和古菌的一代测序后经系统发育分析发现,反应器中存在优势细菌有两种,一种与DAMO细菌有较远距离的亲缘关系,另一种属于变形菌门,存在优势古菌只有一种,且与AMO古菌(ANME-1和ANME-2)亲缘关系较近.容桂河流和独墅湖反应器的二代测序发现该两反应器菌群都比较复杂,皆以属于广古菌门的DAMO古菌占绝对优势,分别为40%和37%,而属于硝化螺旋菌门的DAMO细菌皆为12%左右,其他杂菌共占有用45-50%,以厌氧绳菌、消化螺旋菌、硫酸盐还原菌为主.厌氧绳菌和硝化螺旋菌等细菌常常出现在污水厂和厌氧氨氧化环境中,硫酸盐还原菌因培养基中含有硫酸盐的缘故.此外,该两反应器还存在有≤4%的属甲基球菌属的好氧甲烷氧化菌.因此,该两反应器发生了DAMO过程的同时,可能也发生了甲烷厌氧氧化耦合硫酸盐还原过程(SAMO)和好氧甲烷氧化过程. 【关键词】：甲烷 硝酸盐 厌氧甲烷氧化 中空纤维膜反应器 快速富集
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;X172
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 综述10-26
• 1.1 引言10-11
• 1.2 甲烷好氧氧化11-12
• 1.3 甲烷厌氧氧化12-19
• 1.3.1 甲烷厌氧氧化类型13-16
• 1.3.2 甲烷厌氧氧化途径16-19
• 1.4 中空纤维膜反应器19-20
• 1.5 本实验的研究目的和意义20-21
• 1.5.1 研究目的20
• 1.5.2 研究意义20-21
• 参考文献21-26
• 第二章 采样与分析(DAMO过程)26-37
• 2.1 采样点选择原则26-27
• 2.2 材料27-29
• 2.2.1 采样点地理分布和采样时间27
• 2.2.2 采样地概况27-29
• 2.3 分析方法29-31
• 2.3.1 氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮的分析29
• 2.3.2 溶解甲烷分析29-30
• 2.3.3 水中温度、pH、DO、COD测定30
• 2.3.4 DAMO菌群鉴定30-31
• 2.4 结果与讨论31-34
• 本章小结34-35
• 参考文献35-37
• 第三章 中空纤维膜生物反应器富集DAMO菌群37-50
• 3.1 中空纤维膜生物反应器37-38
• 3.2 DAMO菌群富集38-44
• 3.2.1 培养基38-39
• 3.2.2 接种驯化39-40
• 3.2.3 结果40-42
• 3.2.4 总结与讨论42-44
• 3.3 Batch实验44-46
• 3.3.1 材料和方法44
• 3.3.2 结果讨论44-46
• 本章小结46-47
• 参考文献47-50
• 第四章 DAMO菌群分析50-64
• 4.1 荧光原位杂交(FISH)分析DAMO菌群50-55
• 4.1.1 FISH50
• 4.1.2 FISH在DAMO过程的应用50-51
• 4.1.3 材料与方法51-53
• 4.1.4 结果讨论53-55
• 4.2 16s rRNA鉴定DAMO菌群55-60
• 4.2.1 DNA模板提取和PCR55
• 4.2.2 分子生物学菌群分析55-60
• 4.3 讨论60-61
• 本章小结61-62
• 参考文献62-64
• 第五章 结论与展望64-65
• 致谢65-66
• 在读期间发表的学术论文和取得的研究成果66

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