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渗透压补偿溶质对同步硝化反硝化脱氮细菌的抗逆协助研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 水体氨氮污染及去除方法

1.1.1 水体氨氮污染现状及危害

1.1.2 氨氮污染的物理化学去除方法

1.1.3 氨氮污染的微生物处理理论和技术

1.2 同步异养硝化好氧反硝化脱氮及其优势

1.2.1 同步异养硝化好氧反硝化脱氮菌株

1.2.2 同步异养硝化好氧反硝化脱氦机理

1.2.3 同步异养硝化好氧反硝化脱氮影响因素

1.2.4 同步异养硝化好氧反硝化脱氮的优势

1.3 同步异养硝化好氧反硝化脱氮应用及其存在的问题

1.3.1 同步异养硝化好氧反硝化脱氮应用

1.3.2 同步异养硝化好氧反硝化脱氮存在的问题

1.4 高盐胁迫下提高SND脱氮细菌耐盐性方法

1.5 渗透压补偿溶质的耐盐性赋予及其抗逆协助特性

1.5.1 渗透压补偿溶质的性质及种类

1.5.2 渗透压补偿溶质Ectoine及其抗逆协助

1.5.3 Ectoine的抗逆协助机制

1.6 研究目的意义及主要内容

2.1 实验材料

2.1.1 菌株分离样品

2.1.2 菌株

2.1.3 试剂盒和试剂

2.1.4 培养基

2.1.5 仪器设备

2.2 实验方法

2.2.1 菌株活化

2.2.2 菌株生长

2.2.3 SND脱氮

2.2.4 同步硝化反硝化脱氮菌株的分离筛选

2.2.5 细菌革兰氏染色

2.2.6 细菌扫描电镜

2.2.7 16S rDNA鉴定

2.2.8 细胞氮浓度的测定

2.2.9 无机氮浓度测定

第3章 同步异养硝化好氧反硝化脱氮菌株筛选及鉴定

3.1 实验材料

3.2 实验方法

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 同步异养硝化好氧反硝化脱氮菌株的分离筛选

3.3.2 菌株P07的分类鉴定

3.3.3 Pseudomonas sp.P07生长特性

3.4 本章小结

第4章 Pseudomonas sp.P07同步异养硝化好氧反硝化脱氮性质表征

4.1 实验材料

4.1.1 菌株

4.1.2 试剂

4.1.3 培养基

4.2 实验方法

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 碳源种类对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮性质影响

4.3.2 C/N对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮性质影响

4.3.3 初始pH对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮性质影响

4.3.4 供氧强度对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮性质影响

4.3.5 NaCl浓度对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮性质影响

4.3.6 Pseudomonas sp.P07同步异养硝化好氧反硝化脱氮进程

4.4 本章小结

第5章 几种不同种类渗透压补偿溶质对P.P07脱氮协助比较

5.1 实验材料

5.1.1 菌株

5.1.2 试剂

5.1.3 培养基

5.2 实验方法

5.3.2 不同浓度Ectoine对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮协助

5.4 本章小结

第6章 Ectoine对Pseudomonas sp.P07脱氮抗逆协助研究

6.1 实验材料

6.1.1 菌株

6.1.2 试剂

6.1.3 培养基

6.2 实验方法

6.3 实验结果与讨论

6.3.2 不同氨氮浓度下Ectoine对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮协助

6.3.3 不同pH条件下Ectoine对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮协助

6.3.4 Ectoine分泌型菌株与Pseudomonas sp.P07组合脱氮研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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摘要

氨氮是水体主要污染物之一。氨氮污染已成为严峻的环境及社会问题。目前治理废水氨氮污染的技术方法主要有物理法、化学法和生物法。生物法具有操作简单、无二次污染、成本低等优势。其中同步异养硝化好氧反硝化(SND)脱氮是指在同一反应器相同操作条件下异养硝化和好氧反硝化反应同步进行的脱氮技术。SND脱氮因具有脱氮效率高、体系pH稳定、适合处理含有机物的氨氮废水、工艺操作简单等优点,成为了生物法脱氮的研究热点。SND脱氮尽管具有许多显著优势,然而对于高盐、高氨氮和极端pH条件等逆环境下的氨氮废水处理也会受到很大程度的限制,原因在于逆环境可抑制某些SND脱氮菌株的正常生长和代谢活性,导致菌株脱氮能力降低甚至丧失。许多工农业废水通常具有高氨氮和高NaCl浓度等特点,大多数SND脱氮菌株会因抗性不足生长受限,脱氮效率降低。渗透压补偿溶质是某些嗜盐微生物在应答高渗透压胁迫时细胞合成的有机小分子溶质,其作用是帮助细胞维持内外渗透压平衡,同时又不妨碍细胞正常的代谢活动。四氢嘧啶Ectoine(1,4,5,6-四氢-2-甲基-4-嘧啶羧酸,1,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidinecarboxylic acid,Ectoine)是某些中度嗜盐菌中普遍存在的渗透压补偿溶质,能够赋予微生物细胞耐盐性,使细胞在高盐环境下可以保持内外渗透压平衡,从而抵抗高渗透压环境。Ectoine还可作为生物体内酶、核酸、细胞膜乃至整个细胞的保护剂和稳定剂,协助细胞抵抗极端环境。SND菌株在吸收Ectoine后可获得抗逆性,从而提高对逆环境下氨氮废水的脱氮效率。基于Ectoine所具有的对细胞的抗逆赋予特性,考察其对SND脱氮菌株的抗逆协助作用,对逆环境下高氨氮废水的净化处理具有重要意义。
  本文从大连某污水处理厂曝气池底泥中分离筛选出一株能够以SND方式脱氮的菌株P07。菌株P07经16S rDNA和形态鉴定为Pseudomonas菌,命名为Pseudomonas sp.P07。考察了Pseudomonas sp.P07的生长特性,最适生长碳源为谷氨酸钠、碳源浓度为15 g/L、初始pH为7、Pseudomonas sp.P07为非耐盐菌。考察了Pseudomonas sp.P07 SND脱氮的影响因素,脱氮最适有机碳源为柠檬酸三钠、脱氮最佳供氧强度和NaCl浓度分别为30 mL/300 mL三角瓶和0,脱氮最优C/N和初始pH值为5和8。表征了优化条件下Pseudomonas sp.P07的SND方式脱氮进程,经过120 h的处理,NH4+-N浓度从2000mg/L降解到146.3 mg/L,脱氮率达到91.9%。本文进一步研究了在极端环境下不同渗透压补偿溶质对Pseudomonas sp.P07的抗逆协助作用,当添加Ectoine作为抗逆助剂时菌株脱氮率最高,达到了47.3%,且较低浓度(50 mg/L)的Ectoine即可对Pseudomonas sp.P07SND脱氮起到显著的抗逆协助作用。此外,本文还考察了在不同浓度NaCl、高氨氮和不同pH条件下Ectoine对Pseudomonas sp.P07 SND脱氮的抗逆协助作用,当NaCl浓度在15~30 g/L范围内时,添加Ectoine可有效缓解高浓度NaCl对菌株的胁迫作用,Pseudomonas sp.P07 SND脱氮率达到了无NaCl胁迫时的水平;当NH4+-N浓度为1000~2500mg/L时,Ectoine对菌株SND脱氮的抗逆协助效果最佳,脱氮率平均提高了约20%; Ectoine对pH条件为6~8范围内菌株P07 SND脱氮有较强的抗逆协助作用,尤其当pH为6时菌株Pseudomonas sp.P07脱氮率与未添加Ectoine的对照相比提高了29.4%,因此,在实际应用中可针对性地用于处理NaCl浓度在15~30 g/L、NH4+-N浓度为1000~2500mg/L、pH为6~8范围内的高氨氮废水。最后,本文将Pseudomonas sp.P07与Ectoine分泌型菌株Halomonas sp.B01组合应用于模拟高盐高氨氮废水的脱氮处理,模拟废水在经过组合菌120 h的脱氮处理后NH4+-N浓度从475.2 mg/L降解至140.8 mg/L,脱氮率达到70.2%,并且在整个脱氮过程中并无硝酸盐和亚硝酸盐的积累。

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