随着我国经济的快速发展,每年产生大量含氮废水,引起严重的环境污染。迄今为止,微生物转化是处理硝酸盐等含氮污染物的主要方法,但存在反应速度慢、处理效率低等难题。虽然国内外学者在此领域进行了广泛深入的研究,但至今未形成微生物快速处理含氮废水的有效方法。随着二维材料的兴起,其优异的光电性能引起了污水处理领域研究者极大兴趣,但二维材料催化强化微生物快速处理含氮废水的研究国内外罕见报道。本论文以价廉易得的石墨和二硫化钼两种二维材料的微粒子为催化剂,催化强化微生物菌群降解硝酸盐,达到微生物菌群快速处理含氮废水的目的。主要研究内容和结果如下:1、以硝酸钠为模拟污染物,研究了微米石墨颗粒催化强化微生物菌群反硝化降解硝酸钠的规律。(1)采用紫外分光光度法分析硝酸钠、中间产物亚硝酸钠的浓度,考察了微米石墨颗粒的粒径、添加量对微生物菌群反硝化脱氮度的影响。结果表明:在2.5-160μm范围内,随着添加的微米石墨颗粒粒径的减小,反硝化脱氮的加速效果越明显;添加量在0-160 mg/L范围内,随着添加量的增加,反硝化脱氮的加速效果越显著,最高可以加快109.2%;当添加量超过160 mg/L时,反硝化脱氮的加速效果不显著。此外,微米石墨颗粒可以将化工污水的反硝化脱氮速度加快65.1%,具有一定的工业应用前景。(2)采用高通量测序和q-PCR的方法,对微生物菌群结构和基因丰度进行了表征。实验结果表明:在2.5-160μm范围内,微米石墨颗粒的添加可以显著改变菌群结构,其中副球菌属的占比增加7.9%,反硝化菌的占比提高5.6%;此外,菌群的生物量提高40.1%,反硝化菌的绝对数量增多144.3%,反硝化功能基因NirS的转录水平提高6.09倍。(3)采用扫描电子显微镜对微生物的形貌进行了观察。结果表明:受微米石墨颗粒影响,菌群中的部分非反硝化菌的细胞壁破坏并且死亡,表明微米石墨颗粒可以选择性地抑制菌群中的部分非反硝化菌,反硝化菌快速生长繁殖。因此,菌群宏基因组DNA中NirS基因片段数量增多,进而使NirS基因转录的RNA丰度提高,亚硝酸盐还原酶的表达量随之增加,提高菌群的反硝化能力。2、以硝酸钠为模拟污染物,研究了非光照条件下微米二硫化钼催化强化微生物菌群反硝化降解硝酸钠的规律。(1)采用紫外分光光度法分析硝酸钠、中间产物亚硝酸钠的浓度,考察了微米二硫化钼颗粒的添加量对微生物菌群反硝化脱氮速度影响。结果表明:在0.6–6μm范围内,随着添加的微米二硫化钼颗粒粒径的增加,反硝化脱氮的加速效果呈现先增强后减弱的趋势;添加量在0-1200 mg/L时,随着添加量的增加,反硝化脱氮过程加速越显著,最多可以加快153.3%;当添加量超过1200 mg/L时,反硝化脱氮的速度反而有所降低。(2)采用高通量测序和q-PCR的方法,对微生物菌群结构和基因丰度进行了表征。结果表明:微米二硫化钼的添加并未显著改变菌群结构,副球菌属的占比提高7.5%,反硝化菌在菌群中的相对丰度提高7.5%,反硝化功能基因NirS的转录水平提高6.25倍。(3)采用扫描电子显微镜对微生物的形貌进行了观察。结果表明:未观察到细菌细胞壁破坏而死亡的现象。根据菌群DNA中NirS基因片段丰度提高和NirS基因的mRNA转录水平提高的实验结果推断,可能是更多的NirS基因片段能够翻译出更多的亚硝酸盐还原酶,提高了反硝化酶的数量,增强了菌群的反硝化能力。