论文部分内容阅读
反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）是新近发现的生物过程,耦联反硝化和厌氧甲烷氧化过程,能够为污水生物脱氮新工艺的设计与发展提供契机。该过程由与嗜甲烷古菌同源的ANME-2d古菌和隶属于NC10门的细菌共同催化完成,可与厌氧氨氧化（Anammox）过程耦合实现CH4、NH4+、NO2-以及NO3-的共去除。然而,DAMO功能微生物的脱氮潜能及其代谢机理还有待进一步揭示。本论文围绕DAMO脱氮体系的构建和功能微生物代谢途径机制的解析两个关键问题开展研究,以期为推动DAMO工程化应用和加深理解其在生物地球元素循环中的关键作用做出贡献。系统地从DAMO耦合Anammox的富集到高效脱氮应用开展研究。采用混合厌氧污泥高浓度接种法,在强化甲烷曝气条件下以CH4、NO3-和NH4+为底物,在富集培养300 d后ANME-2d古菌和Anammox细菌的种群相对丰度分别达到56.5%和9.7%。同时考虑CH4气态底物的传质率和反应系统的微生物截留率,开发出适用于DAMO耦合Anammox悬浮污泥形式的脱氮工艺,即膜曝气膜生物反应器（MAMBR）,将其应用于污水脱氮可在启动200 d内实现5000 mg N L-1 d-1的TN去除速率。基于悬浮耦合系统的脱氮性能建立数值模型可用于描述DAMO絮状污泥的脱氮过程;模型标定结果显示,与附着生长系统相比DAMO功能微生物在悬浮生长系统中呈现出更快的生长速度和更高的污泥产率;模型优化结果表明当MAMBR的污泥停留时间为15～30 d时,可同时兼顾总氮去除效率和前置反应器的硝化效率,实现节能高效的污水脱氮过程。采用反应器“三段进水法”启动策略运行膜生物膜反应器（MBf R）,可在反应器启动时间缩短36%的同时,提升TN去除速率4.9倍;在运行365 d后TN去除速率达到6656 mg N L-1 d-1。对NO2--AOM过程的脱氮性能及功能微生物的生态位分化和代谢途径进行探究。以CH4和NO2-为底物富集培养NC10门细菌,400 d后NC10门细菌的种群相对丰度达到35.3%。接种NC10富集培养物的MBf R在进水浓度为50 mg NO2--N L-1条件下实现接近400 mg NO2--N L-1 d-1的脱氮速率,反应器运行结束时NC10细菌的种群相对丰度达到65.6%,其16S r RNA基因克隆序列中有97%的序列与Candidatus Methylomirabilis oxyfera物种高度相似（>98%）;而在进水浓度为1000mg NO2--N L-1条件下,NC10细菌16S r RNA基因克隆序列中有99%的序列与Candidatus Methylomirabilis sinica物种高度相似（>99%）,该条件下反应器运行结束时的脱氮速率接近997 mg NO2--N L-1 d-1,NC10细菌的种群相对丰度为44.6%。底物利用动力学结果显示,Ca.M.sinica相比于Ca.M.oxyfera具有更高的NO2-耐受度和更低的NO2-亲和性,这种固有的特性可导致不同NC10细菌在“种”水平上出现生态位的分化。结合氮素转化和稳定同位素标记试验证实NC10细菌同时具有非特异性NH4+氧化和N2O释放途径,且N2O的释放特性与环境中NO2-浓度和CH4的可用性有关。对NO3--AOM过程的脱氮性能及功能微生物催化硝酸盐异化还原为铵过程进行探究。接种DAMO耦合Anammox共富集培养物的MBf R在进水浓度为1000mg NO3--N L-1运行条件下可实现1013 mg N L-1 d-1的硝酸盐还原速率,且反应器出水TN浓度低于10 mg N L-1。反应器运行期间,ANME-2d古菌和NC10细菌的种群相对丰度均呈现明显的上升趋势,反应器运行结束时分别达到37.2%和31.1%;而Anammox细菌的种群相对丰度先从22.8%快速下降至0.5%以下,随后逐渐增加至6.3%。生物膜微电极分析和功能基因转录表达活性结果表明,该脱氮体系内存在硝酸盐异化还原为铵过程（DNRA）,该过程由ANME-2d古菌催化,耦合厌氧甲烷氧化过程;结合稳定同位素标记试验进一步证实环境中的NO2-是ANME-2d古菌催化DNRA过程发生的诱导因素,且产生的NH4+来自NO3-的还原,环境中的NO2-未参与DNRA氮素转化过程。生物膜内的ANME-2d古菌可将NO3-同时还原为NO2-和NH4+为Anammox细菌提供生长基质,是一种新的微生物合作方式。对AOM耦合NO3-和SO42-同步还原过程的脱氮性能及其驱动碳-氮-硫转化的关键过程进行探究与解析。接种DAMO耦合Anammox共富集培养物的MBf R在进水共存NO3-和SO42-条件下,在30℃和25℃运行时分别实现489和193 mg N L-1 d-1的TN去除率、353和144 mg CH4 L-1 d-1的溶解性甲烷去除速率;MBf R运行期间,ANME-2d古菌、SRB细菌（Desulfococcus spp.）、NC10细菌以及SAD细菌（Thiobacillus spp.和Sulfurovum spp.）为主要优势微生物共同主导碳-氮-硫循环过程。该循环过程中NO3-和SO42-的浓度分布影响AOM速率;其中ANME-2d古菌不仅可以催化NO3--AOM过程还可与SRB细菌共生,催化SO42--AOM过程;在共生过程中,ANME-2d古菌编码古菌鞭毛蛋白的基因fla B和编码细胞色素C的基因cyt C以及Desulfococcus spp.编码菌毛组成蛋白的基因pil A的转录表达显著上调,建议ANME-2d古菌通过细胞色素C和观察到的纳米网结构向SRB细菌传递电子完成SO42--AOM过程。构建的AOM驱动碳-氮-硫转化过程不仅扩大了人们对自然界中甲烷汇的认知,在可持续污水处理过程中也具有重要的应用潜力。