赣江枯水期脱氮功能微生物群落结构研究

为探究赣江枯水期底泥中脱氮功能微生物丰度及多样性与环境因子的关系,该文以赣江南昌段流域为研究对象,分别采集进入城区前、分支口以及南、北、中支流的表层水体及底泥样本。通过基于16S rDNA和功能基因的高通量测序手段对赣江底泥脱氮功能微生物的丰度和种群结构进行了分析。研究表明:赣江南支水体中氨氮、总氮和总磷明显高于其他采样区域。赣江底泥中微生物主要优势类群为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)。在赣江底泥中检测到3个脱氮功能微生物功能类群,分别是氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)、厌氧氨氧化细菌(Anammox)。底泥中脱氮功能微生物相对丰度排序为AOA>AOB>Anammox,这表明赣江底泥脱氮过程中AOA发挥着主要作用,其优势属为Crenarchaeota noname;脱氮功能微生物群落多样性为AOB>AOA>Anammox,AOB类群中优势属为Betaproteobacteria noname。冗余分析结果显示,硝态氮、氨氮是影响赣江底泥脱氮功能微生物多样性和丰度的关键环境因子。

脱氮功能菌去除市政废水中氮素的研究

为了探讨实验室筛选获得的氨氧化细菌CM-NRO14和反硝化细菌CM-NRD3联合去除市政废水中氮素的应用价值,采用了两级A/O工艺进行菌株去除废水中氮素的小试实验,最后将菌株用于废水脱氮工程中。结果表明,脱氮功能菌实现了短程硝化-反硝化,氨氮去除率在98%以上,总氮去除率在75%以上,COD(化学需氧量)去除率大于90%,出水各项指标均低于城镇污水处理厂污染物排放一级(A)标准。脱氮功能菌在去除市政废水中氮素方面有很高的应用价值,可用于城镇污水处理厂提标改造等。

基于微污染水体特征的脱氮功能菌群的构建

针对微污染水体原位生物脱氮处理中存在的低温、有机碳源含量低及好氧环境问题,采用自适应及菌源生态重组策略构建了生物脱氮功能菌群,并考察了该功能菌群对水库原水的脱氮效果。结果表明,在低温环境条件下对中温脱氮菌种进行液体活化培养,同时通过增加活化培养时间可以提高菌种在低温条件下的脱氮效果,当活化温度为15℃时,各菌株在15,20和30℃环境温度下的TIN去除率基本达到88%以上;采用菌源生态重组策略构建的脱氮功能菌群可在多种极端环境条件下表现出较好的脱氮能力,培养72 h后NO3-和TIN的去除率均可达到90%以上。

一株耐低温异养硝化-好氧反硝化菌的分离鉴定及其脱氮特性

为了提高低温废水的生物脱氮效率,从寒冷地区冬季土壤和底泥中分离筛选耐低温异养硝化-好氧反硝化细菌,研究其脱氮特性及途径。通过菌落和细胞形态特征观察、16S rRNA基因序列分析鉴定菌种。分别以NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N、NO_(2)^(-)-N为唯一氮源,以NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N为混合氮源,考察菌株在低温条件(10℃)的硝化、反硝化以及同步硝化反硝化性能。采用聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)对菌株的脱氮功能酶基因扩增,推测低温脱氮途径。结果表明,从河水底泥中筛选出一株异养硝化-好氧反硝化菌,经鉴定为Pseudomonas veronii,命名为P.veronii DH-3。该菌分别以相同初始含氮量(105 mg/L)的NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N和NO_(2)^(-)-N为唯一氮源,在10℃好氧培养48 h时,氮的去除率分别为99.07%、96.89%和90.29%,且在脱氮过程中几乎无亚硝酸盐的累积。以NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N为混合氮源时,NH_(4)^(+)-N在48 h内被完全去除,NO_(3)^(-)-N的去除率为87.09%;氮平衡分析结果表明,以NO_(3)^(-)-N和NO_(2)^(-)-N为唯一氮源时含氮气体和细胞内生物氮的转化率均低于NH_(4)^(+)-N,表明该菌株的异养硝化能力强于好氧反硝化能力。脱氮功能基因hao、napA、nirS、nirK、cnorB和nosZ的成功表达,进一步证实该菌株具有硝化反硝化能力。根据上述研究结果,推测该菌株低温脱氮的主要途径为异养硝化-好氧反硝化作用和同化作用。菌株P.veronii DH-3具有良好的异养硝化-好氧反硝化性能,为低温含氮废水的生物净化提供了理论支持。

游离氨对脱氮菌的抑制作用、机理及模型综述

游离氨(FA)制约着脱氮功能菌的产率,直接影响生物脱氮工艺的效率,但至今仍缺乏相关研究的系统总结。针对市政污水和工业废水的生物脱氮工艺,重点论述FA对污水处理脱氮功能菌的抑制效果,分析FA抑制脱氮功能菌的抑制机理,总结FA对脱氮功能菌的抑制动力学模型。研究表明,FA对氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和异养反硝化菌(HDB)的抑制效果存在明显差异,FA影响脱氮功能菌的机理存在抑制和灭活两种作用机制,相应的FA抑制动力学模型为现有污水处理厂的工艺设计和优化运行提供理论支持。尤其是利用脱氮功能菌不同种属之间对FA的耐受性差异特性,值得进一步研究其在污水生物脱氮新工艺中的应用。

潮汐运行方式对人工湿地处理含盐废水脱氮性能的影响

采用潮汐流人工湿地,研究不同淹没/空闲时长比(F/R)对含盐废水脱氮效果的影响,分析运行周期内无机氮的沿程变化,利用高通量测序技术阐析湿地内微生物群落结构和脱氮功能菌的分布特征。结果表明,改变F/R对湿地的硝化作用影响不大,NH^(+)_(4)-N去除率无显著差异(p>0.05),平均去除率达85.37%;F/R对总无机氮(TIN)去除有明显影响(p<0.05),较长的淹没时间促进了湿地的反硝化效果,进而提高了TIN去除率;F/R为15.5 h/6.5 h时,TIN去除率最高(62.94±3.70)%。运行周期内,淹没初期NH^(+)_(4)-N浓度迅速降低,NO^(-)_(3)-N开始积累,NH+4-N的氧化主要发生在深度0~27 cm区域,在湿地内存在同步硝化反硝化过程(SND,Simultaneous nitrification and denitrification)。湿地内检测到的脱氮功能菌主要是氨氧化古菌Thaumarchaeota、氨氧化细菌Nitrosomonas、亚硝酸盐氧化细菌Nitrospira、反硝化细菌Dokdonella和Nakamurella,硝化细菌的丰度远低于反硝化细菌。

宏基因组学分析深度处理阶段污水中细菌的赋存特征及其功能

为探究深度处理阶段污水中细菌的赋存特征及其功能,采集了污水深度处理阶段沿程各单元的进出水样品,并基于宏基因组学对污水中细菌的群落结构及功能进行了解析.结果表明,不同深度处理单元出水中细菌的多样性存在差异,臭氧接触池出水中细菌的多样性最低;相比夏季,冬季深度处理阶段污水中细菌的丰富度和多样性较低.不同季节深度处理阶段污水中的细菌群落结构变化较大,反硝化滤池出水中的细菌群落结构与其它样品存在较大差异;变形菌门(41.5%~71.0%)是深度处理阶段污水中的主要优势菌门,其次是拟杆菌门(3.8%~16.2%);反硝化滤池出水中主要菌属有脱氯单胞菌(4.1%~7.4%)、弓形杆菌(3.0%~8.3%)和不动杆菌(2.3%~3.0%).在深度处理阶段各工艺出水中共发现了29种与氮代谢有关的功能基因,并且在各工艺出水中均检测到了与反硝化有关的功能基因,如nosZ、napA、nirK和norB等,表明深度处理阶段污水中的细菌具有持续脱氮的潜力.糖苷转移酶和糖苷水解酶是深度处理阶段主要的碳水化合物活性酶,深度处理阶段污水中的细菌表现出了对多种有机物的降解潜力.

外源群体感应-好氧反硝化菌强化生物膜脱氮研究

重点研究了外源添加高AHLs调控能力的群体感应-异养硝化好氧反硝化菌(QS-HNAD)过程中生物膜反应器的运行、生物膜生理生化特征、信号分子浓度、脱氮功能基因含量、群落组成和空间结构的变化.结果表明,高C/N比(8~14)条件更有利于其促进反应器脱氮效能:添加群体感应Pseudomonas mendocina促进了反应器的反硝化,而添加Pseudomonas putida提高了氨氮的去除.与水相比,生物膜相信号分子对于环境变化具有更灵敏的响应,C6-HSL是潜在调控生物膜修复和强化脱氮的信号分子.荧光定量qPCR表明,外源添加QS-HNAD有效促进了氨氧化、硝酸盐还原和一氧化氮还原过程.微生物群落结构分析表明,添加不同外源QS-HNAD菌的生物膜微生物群落结构差异较大,P.mendocina菌促进了放线菌、TM7、变形菌在生物膜中富集.

温度和DO对MBBR系统硝化和反硝化的影响

在缺氧/好氧/好氧串联运行的移动床生物膜反应器(MBBR)系统中考察了温度和好氧反应器中溶解氧(DO)水平对生物膜硝化和反硝化过程氮素去除的影响,并通过高通量测序技术探究温度和DO的变化造成的MBBR系统中脱氮功能菌群结构的差异,从而在微观水平解释硝化和反硝化受温度和DO影响的生物学机理.结果表明,系统温度的升高可以同时强化生物膜硝化和反硝化过程,且好氧反应器中DO水平的提高对硝化过程有利,从而提高系统的脱氮效果.本研究中,在系统连续运行阶段,当系统温度和好氧O_1反应器的DO浓度为本研究范围内的最高水平时(即温度=20～22oC、DO=5～8mg O_2/L),比硝化负荷可达1.60g NH_4^+-N/(m^2·d)以上,而相同温度范围内比反硝化负荷可高达2.84g NO_3^--N/(m^2·d),从而使MBBR系统在该工况条件下获得了最佳的NH_4^+-N和TN去除率(分别达到了98.7%和85.7%).温度和DO影响硝化和反硝化的根本原因是温度和DO变化引起了脱氮功能菌群数量和群落结构的改变:当好氧反应器的DO水平下降时,硝化功能细菌的OTUs比例显著降低,尤其是异养硝化细菌的生长受到了严重的抑制;而温度的变化对反硝化细菌的影响主要体现在群落结构的变化.

水力停留时间对潜流湿地净化效果影响及脱氮途径解析

利用连续进水的垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地,比较分析了4种水力停留时间对常规污染物去除效果的影响,在最佳水力停留时间下探究了两种湿地内部各基质层硝化、反硝化和氨氧化功能基因丰度以及硝化与反硝化作用强度;通过对两种湿地脱氮影响因素的冗余分析和方差分解分析,得出影响湿地氮去除的主要因素.结果表明,当水力停留时间为24 h时,两种湿地系统对常规污染物(COD、TP、TN和NH^(+)_(4)-N)去除效果最佳,去除率均大于70%,此时湿地内部对NH^(+)_(4)-N和TN的去除率以及硝化和反硝化强度皆表现出沿水流方向逐级递减的趋势;3种功能基因中,反硝化功能基因(nirS)丰度远高于硝化功能基因(nxr A)和氨氧化功能基因(AOB-amoA).在本研究中,两种潜流人工湿地氮去除能力均受环境因素和微生物因素共同影响,其中,微生物因素对脱氮贡献率最高(55%和48%).除此之外,TN和NH^(+)_(4)-N的去除率均与DO、基质比表面积、COD浓度和硝化功能基因及反硝化功能基因丰度呈正比,与pH值成反比.因此,为提高两种系统氮去除效果,均可通过提高基质层溶解氧和碳源含量以及适当地降低pH值来实现,水平潜流人工湿地还可通过更换比表面积较大的基质层来显著提高系统脱氮效果.本研究为人工湿地的设计以及最佳水力停留时间的选择提供了理论基础,脱氮途径的定量化解析对深入理解人工湿地氮去除机制以及提高氮素去除率具有重要的指导意义.

基于铁碳物化-生物耦合法的新型湿地填料研究

针对北方人工湿地运行过程中出现的植物生长萎靡、微生物活性低下、脱氮除磷效率不能满足设计要求等问题,研究新型铁碳湿地材料,利用其微电解产生的[Fe2+]和[H]给硝化细菌做电子供体,将硝酸盐氮还原为N2,实现物化-生物耦合脱氮,并在实验室构建不同介质、不同类型的人工湿地,试验中对比了传统填料人工湿地与新型铁碳人工湿地的运行状况。结果表明:进行间歇曝气情况下,采用脱氮除磷功能材料的人工湿地在水力停留时间24 h的情况下对氨氮、总磷、COD的去除效率分别达到89%、76%、67%,均高于传统填料去除效率,尤其是对氨氮;采用脱氮除磷功能材料的人工湿地植物生长良好,表明脱氮除磷功能材料作为新型湿地填料发挥了良好的效果。