海洋鎘抗性和自絮凝菌在含鹽污水處理中的應用.pdf

1、近年來，由于工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，污水成份變得越來越復雜，處理難度越來越大。由于重金屬對微生物的毒性作用和鹽度對微生物活性的抑制作用，使得重金屬污水和含鹽污水的生物處理變的十分困難。而金屬冶煉污水、海產(chǎn)養(yǎng)殖污水等污水中同時含有鹽度和重金屬，這就更加增大了污水處理的難度。目前，對含鹽污水和重金屬污水的生物處理往往采用篩選抗性功能菌的方法。而深海微生物由于常年生活在高壓、高鹽、低/高溫、黑暗及寡營養(yǎng)等極端環(huán)境下，形成了極為

2、特殊的生物結(jié)構和代謝機制系統(tǒng)，使得它們具有降解或轉(zhuǎn)化各種有毒有害污染物的巨大潛能，是篩選抗性功能菌的極佳對象。
　　因此，本文從深海底泥中篩選出具有鎘抗性的功能菌株和耐鹽性的自絮凝功能菌株，并分別將其應用于含鎘污水和含鹽污水的生物處理，為含鹽含鎘污水的處理提供可行的方法。該研究可實現(xiàn)對有毒有害污染物的高效低成本去除，進而減少對環(huán)境的污染和生態(tài)的破壞，具有重要的環(huán)境、生態(tài)和經(jīng)濟效益。本文通過對自絮凝功能菌EPS的提取，研究了EPS及

3、其組分蛋白和多糖三者各自對自絮凝的貢獻率，然后通過傅立葉紅外光譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)等技術以及細菌的Zeta電位、表面疏水性、粒徑和比重等的測量分析闡述了其自絮凝機理。并通過搖瓶批次實驗驗證了自絮凝功能菌處理含鹽污水的可行性。最后實現(xiàn)了鎘抗性功能菌強化的動態(tài)膜生物反應器處理含鎘污水和自絮凝功能菌的SBR反應器處理含鹽污水的連續(xù)運行（實驗室規(guī)模）。同時對反應器的處理效果和生物群落結(jié)構進行了檢測和分析。本文取得的主要研究

4、成果如下:
　　(1)將鎘抗性功能菌Pseudoalteromonas sp.SCSE709-6(Ps.sp.SCSE709-6)通過生物強化技術接種到動態(tài)膜生物反應器中處理含鎘污水，并與活性污泥的動態(tài)膜生物反應器作對比。實驗發(fā)現(xiàn):(i)整個運行過程中，隨著進水Cd(Ⅱ)濃度的不斷升高，鎘抗性功能菌Ps.sp.SCSE709-6強化的動態(tài)膜生物反應器(RB)對Cd(Ⅱ)、COD、TN和TP的去除效果穩(wěn)定（99.1％、94.0％、6

5、1.8％和60.1％，170d的平均值），并顯著優(yōu)于未生物強化的動態(tài)膜生物反應器(RA)對Cd(Ⅱ)、COD、TN和TP的去除效果（94.9％、89.4％、56.0％和52.1％）。而反應器RA的整個處理效果波動比較大，出水Cd(Ⅱ)達不到排放標準;(ii)動態(tài)膜的快速形成是保證出水濁度和膜通量穩(wěn)定的重要條件，同時，實驗過程中沒有觀測到明顯的膜污染;(iii)熒光原位雜交實驗(FISH)證實了反應器中鎘抗性功能菌Ps.sp.SCSE70

6、9-6;(iv)應用高通量測序技術揭示了兩個反應器的群落組成及結(jié)構。一方面，添加鎘后，活性污泥中的變形菌門（Proteobacteria）在鎘的脅迫下變?yōu)樽钪饕木T，占比高達89.82％，降低了反應器中的生物多樣性，使得整個群落結(jié)構變得比較單一。此外值得注意的是，活性污泥中的硝化細菌基本全部消失，導致氨氮的去除效果變差，進而影響整個系統(tǒng)的脫氮效率，這也說明硝化細菌對鎘最敏感。另一方面，Ps.sp.SCSE709-6的生物強化顯著地改善

7、了活性污泥生物群落的組成，變形菌門（Proteobacteria）的比例從89.82％降到了66.83％，而擬桿菌門(Bacteroidetes)的比例從6.32％增加到了28.13％。這說明生物強化增加了群落的豐度和多樣性，進而提高整個系統(tǒng)的處理效果。同時，該變化也說明Ps.sp.SCSE709-6的生物強化狀態(tài)下，擬桿菌門的鎘抗性要高于變形菌門?？傮w來說，通過Ps.sp.SCSE709-6的生物強化，改善了動態(tài)膜生物反應器的群落結(jié)構

8、，進而提高了系統(tǒng)整體的處理效果。
　　(2)從南海426株菌株中篩選出一株具有高耐鹽性和高自絮凝效率高的功能菌株。16S rDNA基因測序結(jié)果鑒定該菌株為Psychrobacter aquimaris X3-1403(Ps.A.X3-1403)。將該菌株保藏于中國典型培養(yǎng)物保藏中心，地址:武漢市武昌珞珈山，保藏號:CCTCCM2016155。
　　(3)用樹脂法提取自絮凝菌Ps.A.X3-1403的EPS，分析EPS的產(chǎn)率、

9、化學結(jié)構及其組分蛋白和多糖的含量。然后通過絮凝實驗測定了EPS、蛋白和多糖各自對絮凝的貢獻率。然后結(jié)合菌株Zeta電位、表面疏水性CSH、粒徑和比重的分析結(jié)果進一步闡述自絮凝的機理。結(jié)果表明:(i)EPS產(chǎn)率是130.2mg/g-細菌干重，蛋白和多糖的產(chǎn)率分別為97.9mg/g-細菌干重和31.8mg/g-細菌干重，分別占EPS的75.2％和24.4％(w/w);(ii)提取EPS之后，菌株Ps.A.X3-1403的絮凝效率由90.3％

10、降到了67.9％。蛋白和多糖對Ps.A.X3-1403自絮凝的貢獻率分別為64.0％和26.9％。這說明，蛋白在自絮凝過程中起著重要作用;(iii)用FTIR和XPS對EPS的化學結(jié)構進行分析，疏水性官能團C-(C/H)占55.8％，而親水性官能團C-OH(23.3％)、C=O(19.5)和O-C=O(1.4％)的總和僅占44.2％。這說明，疏水性的官能團在菌株Ps.A.X3-1403的自絮凝過程中起著關鍵作用;(iv)細菌表面疏水性C

11、SH、粒徑和比重隨細菌的生長不斷增大，并在穩(wěn)定期達到最大值。然后菌體顆粒通過內(nèi)部菌體之間的碰撞和重組形成大而密實的菌體顆粒。但是，菌體顆粒不會變的更大，而是在水力剪切力的作用下維持其原有的結(jié)構。
　　(3)用三個完全一樣的SBR反應器來連續(xù)處理海水沖廁污水，反應器A(RA)只接種自絮凝菌種泥，反應器B(RB)接種混合比為1∶1(w/w)的自絮凝菌種泥和活性污泥，而SBR反應器C(RC)只接種活性污泥。三個反應器接種污泥后的濃度均為

12、5000mg/L左右。反應器的一個循環(huán)周期為8h，體積交換率為62.5％，因此反應器的水力停留時間(HRT)為12.8h。此外，反應器的污泥停留時間（SRT）為21d，溶解氧濃度控制在2-3mg/L之間。記錄三個反應器的運行效果并對其群落結(jié)構進行分析。結(jié)果表明:(i)在120d的連續(xù)運行過程中，由于其極佳的耐鹽性和生物截留性，RA表現(xiàn)出了很低的污泥指數(shù)和很高的污泥比重，從而確保了自絮凝菌污泥的有效沉降，使得自絮凝菌能有效的截留在SBR反

13、應器中，進而保證反應器運行的穩(wěn)定性和處理的高效性。而反應器RB和RC，由于活性污泥在鹽度的長期脅迫下開始膨脹、解體，沉降性能急劇變差，大量污泥隨反應器出水，造成污泥流失，導致整個系統(tǒng)崩潰、處理效果變差，只運行了90d。反應器RA對COD、NH4+N、TN和TP的去除率分別為98.0％、93.1％、74.0％和56.7％。在0-50d時，反應器RB和RC對COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分別為97.3％和97.2％、91.0％和9

14、2.0％、68.0％和70.0％、36.7％和33.3％。而在50-80d時，其去除率分別降到了63.2％和57.9％、39.0％和24.0％、16.7％和9.6％、19.9％和10.1％;(ii)采用高通量測序技術對反應器群落結(jié)構進行分析時，由于測序結(jié)果中很大比例的菌屬未被鑒定分類，導致兩次測序都未取得理想效果。后續(xù)還應繼續(xù)尋找原因，找到解決途徑。
　　通過以上研究可以看到，鎘抗性功能菌Ps.sp.SCSE709-6應用于含鎘污