超高温堆肥去除污泥微塑料及其微生物—化学耦合机制

论文摘要

微塑料（Microplastics,MPs）是指尺寸小于5 mm的塑料颗粒,是一种新型的污染物。污水处理厂被认为是陆地微塑料污染物的主要接收体,大部分微塑料最终都通过污水处理阶段滞留在污水厂污泥中。城市污泥肥料化被许多国家推广利用,然而当前的污泥处置方式都不能有效减少城市污泥中微塑料的含量。污水厂污泥中仍含有高浓度的微塑料,城市污泥的施用可能会导致微塑料在环境中积累,造成严重生态危害。因此,发展一种新型的高效处置污泥微塑料的技术迫在眉睫。本研究探索了利用超高温堆肥技术原位去除微塑料的方法及其超嗜热微生物降解污泥中微塑料的性能及其生物、化学机制,为解决城市污泥中的微塑料污染提供了一种新思路,对控制微塑料污染扩散及其对生态环境的危害具有重要的实践意义。论文主要结论如下:1、分析了城市污泥中微塑料的数量、类别、尺寸、分布和形态。堆肥原料中,微塑料含量约为7.41×104 n/kg干污泥。堆肥原料中的微塑料含有多种形状（纤维状、杆状、薄膜状等）、颜色（白色、黄色、黑色等）与类别（聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等）。进一步研究了超高温堆肥（hyperthermophilic composting,h TC）对污泥中微塑料的降解性能研究。结果发现,经过超高温堆肥处理45 d后污泥中微塑料含量下降了43.70%,其去除效率是传统堆肥（conventional thermophilic composting,cTC）的10倍多。2、以堆肥浸提液为接种物,以聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）为典型研究对象,在70℃温度下探究了实验条件下超高温堆肥中超嗜热菌群对PS-MPs的降解效果。在无额外碳源液体培养基中降解56 d后,超嗜热菌群使PS-MPs重量损失了约7.30%,是传统堆肥菌群的6.60倍。同时,PS-MPs分子量的明显下降、物理化学性质的变化以及液体中低分子中间产物的生成,都证实了超高温菌群可以通过生物氧化作用加速PS-MPs的降解。利用高通量测序技术分析了超高温堆肥组的细菌种群,发现其中占据主导地位的可降解PS-MPs的3个属是嗜热菌属Thermus（54.22%）,杆菌属Bacillus（24.79%）和地杆菌属Geobacillus（19.59%）。3、在以上实验基础上,在无额外碳源的70℃条件下,从城市污泥超高温堆肥样品中分离获得2株具有PS-MPs降解效果的超嗜热菌株FAFU003和FAFU011。16S rRNA基因鉴定结果表明,FAFU003菌株为地杆菌Geobacillus sp.,命名为Geobacillus sp.FAFU003;FAFU011菌株为地杆菌Geobacillus stearothermophilus,命名为Geobacillus stearothermophilus FAFU011。同时,探索研究了超嗜热菌FAFU003和FAFU011对PS-MPs的降解效果并研究其降解机制。在无额外碳源的液体培养基中培养56 d后,菌株FAFU003和FAFU011分别使PS-MPs的重量损失了约4.22%和3.96%。PS-MPs分子量的下降、物理化学性质的变化以及液体中低分子中间产物的生成,都证实了FAFU003和FAFU011具有降解PS-MPs的能力,可以通过生物氧化作用加速PS-MPs的降解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
•   1.1 （微）塑料及其环境问题
•     1.1.1 石油基塑料及其环境污染问题
•     1.1.2 微塑料的产生及危害
•   1.2 微塑料污染的处理方法与技术
•     1.2.1 传统处理方式
•     1.2.2 生物降解技术
•   1.3 污泥中的微塑料及其去除方式
•     1.3.1 污泥中微塑料及其污染概况
•     1.3.2 水处理过程对污泥中微塑料的影响
•     1.3.3 污泥无害化处置方式对微塑料的影响
•   1.4 堆肥技术及其应用
•     1.4.1 好氧堆肥概念
•     1.4.2 超高温好氧堆肥技术及其优势
•     1.4.3 超高温好氧堆肥技术在有机废弃物处理中的应用
•   1.5 本课题研究目的、意义和主要研究内容
•     1.5.1 研究目的和研究意义
•     1.5.2 研究内容与技术路线
• 2 超高温堆肥促进污泥微塑料的去除
•   2.1 前言
•   2.2 实验材料
•     2.2.1 污泥来源
•     2.2.2 实验仪器
•   2.3 实验方法
•     2.3.1 超高温堆肥试验
•     2.3.2 微塑料的提取
•     2.3.3 微塑料的观察和计数
•     2.3.4 微塑料的类别鉴定
•     2.3.5 微塑料的统计分析
•   2.4 结果与分析
•     2.4.1 城市污泥中微塑料的数量、形态和类别分析
•     2.4.2 超高温堆肥过程温度的变化
•     2.4.3 超高温堆肥对污泥微塑料的去除
•     2.4.4 超高温堆肥对污泥微塑料表面形貌的影响
•   2.5 本章小结
• 3 超高温堆肥嗜热微生物种群介导PS-MPs降解的研究
•   3.1 前言
•   3.2 实验材料
•     3.2.1 样品的来源
•     3.2.2 培养基
•     3.2.3 实验药品
•     3.2.4 实验仪器与数据库
•   3.3 实验方法
•     3.3.1 超高温堆肥和传统堆肥接种剂的制备
•     3.3.2 PS-MPs的制备
•     3.3.3 堆肥微生物介导MPs降解的实验设计
•     3.3.4 PS-MPs微生物群落的电镜观察
•     3.3.5 PS-MPs降解速率的重量损失分析
•     3.3.6 PS-MPs表面侵蚀形貌和化学成分的表征
•     3.3.7 PS-MPs分子量分析
•     3.3.8 PS-MPs低分子中间产物分析
•     3.3.9 超高温堆肥中MPs降解微生物种群的分析
•   3.4 结果与分析
•     3.4.1 PS-MPs膜上形成活性生物膜
•     3.4.2 PS-MPs膜表面的降解效率
•     3.4.3 PS-MPs膜表面的侵蚀形貌
•     3.4.4 PS-MPs膜表面的化学变化
•     3.4.5 PS-MPs膜的解聚
•     3.4.6 PS-MPs膜低分子中间产物的生成
•     3.4.7 超高温堆肥中MPs降解微生物种群的结构分析
•   3.5 本章小结
• 4 嗜高温塑料降解菌分离、鉴定及其对PS-MPs降解性能与机制研究
•   4.1 前言
•   4.2 实验材料
•     4.2.1 嗜高温塑料降解菌的分离与鉴定
•     4.2.2 超嗜热纯菌介导PS-MPs降解的实验设计
•     4.2.3 微生物群落的电镜观察
•     4.2.4 PS-MPs的重量损失分析
•     4.2.5 PS-MPs表面侵蚀形貌和化学成分的表征
•     4.2.6 PS-MPs分子量分析
•     4.2.7 PS-MPs低分子中间产物分析
•   4.3 结果与分析
•     4.3.1 菌株形态特征观察
•     4.3.2 菌株分子生物学鉴定
•     4.3.3 PS-MPs膜上形成活性生物膜
•     4.3.4 PS-MPs的降解效率
•     4.3.5 PS-MPs表面的侵蚀形貌
•     4.3.6 PS-MPs表面的化学变化
•     4.3.7 PS-MPs分子量分析
•     4.3.8 PS-MPs膜低分子中间产物的生成
•   4.4 本章小结
• 5 主要结论、创新及展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 创新点
•   5.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵文琪

导师: 周顺桂,陈志

关键词: 城市污泥,超嗜热菌,超高温堆肥,微塑料

来源: 福建农林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 福建农林大学

分类号: X703;X172

总页数: 91

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