UASB中微生物群体行为及AHLs介导的感应调节机制

论文摘要

有机物的厌氧消化,是在产酸发酵菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群等协同作用下完成的,克服产氢产乙酸反应和产甲烷反应对厌氧消化进程的限速作用,是进一步提高厌氧消化系统的效能和运行稳定性的关键。厌氧污泥颗粒化,不仅提高了污泥的产氢产乙酸和产甲烷活性,还具有沉降速率快、产泥率低和耐冲击负荷强等优点,在工程实践中广泛地应用。但是对污泥颗粒化过程和微生物学机制的研究尚未深入。群体感应（Quorum Sensing,QS）系统可控制微生物活性和胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances,EPS）合成等多种群体行为,为解析厌氧颗粒污泥的形成及功能菌群间相互间的协调机制带来了全新的视角,将对厌氧生物处理技术和理论的发展具有重要意义。本研究以两个升流式厌氧污泥床反应器（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket,UASB）的启动及调控运行为基础,分别从厌氧污泥的驯化、有机负荷（Organic Loading Rate,OLR）提升、污泥负荷（Sludge Loading Rate,SLR）提升、温度降低、外加C6-HSL在颗粒污泥解体及恢复等方面解析微生物QS系统的作用机制。在鉴定甲烷发酵功能菌群特征QS信号分子时发现,大部分QS信号分子在饥饿条件下被分泌。其中与水解发酵菌群显著正相关的QS信号分子包括C4-HSL和OXOC6-HSL,而C8-HSL、C6-HSL、OXOC10-HSL和C14-HSL分别与同型产乙酸菌群、丙酸营养型产氢产乙酸菌群、丁酸营养型产氢产乙酸菌群和嗜乙酸产甲烷菌群显著正相关。嗜氢产甲烷菌群可通过多种QS信号分子(C10-HSL、C12-HSL、OXOC6-HSL、OXOC8-HSL、OXOC12-HSL和OXOC14-HSL)来控制其群体行为。在UASB启动过程中,两种OLR提升方式对UASB启动进程及处理效能的影响研究表明,使用“固定进水化学需氧量（Chemical Oxygen Demand,COD）、缩短水力停留时间（Hydraulic Retention Time,HRT）”的OLR提升方式,可更好地维持UASB的处理效能和运行稳定性,而“固定HRT、增加进水COD”的OLR提升方式,会对UASB的处理效能和运行稳定性造成显著影响,但有利于污泥的颗粒化。两种OLR提升方式均降低了UASB内细菌和古菌的多样性,提升了同型产乙酸菌群Treponema的丰度,优势产甲烷菌群也由嗜氢产甲烷菌群转变为嗜乙酸产甲烷菌群,极大地影响了细菌群落结构。在污泥驯化过程中,由于OLR只有2 kgCOD/（m3?d）,厌氧污泥处于饥饿状态。为了在饥饿条件下实现共存,功能菌群通过分泌QS信号分子来调节其群体行为以获得较慢的繁殖并与其他种群保持平衡（K-策略）。伴随着OLR的提升,充足的底物刺激了各菌群的生长,功能菌群再次通过分泌QS信号分子来协调相互之间的代谢平衡。对SLR的调控运行结果表明,用于处理高浓度碳水化合物有机废水的UASB,其可承受的SLR最大为0.68 kgCOD/（kgMLSS·d）。随着SLR的提高,UASB系统的Zeta电位逐渐降低至-15.80 mV左右,增加了微生物之间的静电排斥作用,降低了活性污泥自絮凝能力和表面疏水性,导致颗粒污泥的平均粒径从714.41μm降低至297.65μm。SLR的增加还降低了Syntrophomonas、Syntrophobacter和Smithella等产氢产乙酸菌群的相对丰度,是导致UASB发生丙酸积累的生物学原因。不断增加的SLR,缓解了微生物的饥饿,指示水解发酵菌群、丙酸营养型产氢产乙酸菌群和嗜乙酸产甲烷菌群饥饿状态的QS信号分子浓度急剧降低,而嗜氢产甲烷菌群和同型产乙酸菌群的特征QS信号分子不断增加,维持了UASB内极低的氢分压。当温度从35°C分阶段降低到20°C后,系统内Zeta电位呈下降趋势,活性污泥自絮凝能力和表面疏水性随之下降,EPS中的蛋白和多糖均增加,导致了厌氧颗粒污泥的解体,这一现象随着温度降低而加剧。随着温度的逐渐降低,产氢产乙酸菌群的相对丰度随之降低,而嗜乙酸产甲烷菌群的优势地位逐渐被耐受低温胁迫的嗜氢产甲烷菌群所取代。嗜氢产甲烷菌群通过分泌OXOC14-HSL等QS信号分子,刺激了菌群的增殖,并与同型产乙酸菌群共同维持了系统内极低的氢分压,为丙酸营养型产氢产乙酸菌群的生长代谢营造了有利的条件。在考察外源QS信号分子对UASB系统的影响时,将UASB的OLR由8kgCOD/（m3?d）提升至12 kgCOD/（m3?d）制造冲击负荷,使UASB系统中的产甲烷菌群和产氢产乙酸菌群的活性受到严重抑制,系统COD去除率急剧降低至60%左右,并且污泥颗粒趋于解体。当加入1μg/L的C6-HSL后,产甲烷菌群和产氢产乙酸菌群的活性得到恢复,系统的COD去除率提高至76.54%。外加的C6-HSL,对产氢产乙酸菌群丰度的影响并不明显,但显著刺激了AM菌群（如Methanothrix）的增长和C14-HSL的分泌,不断增加的C14-HSL,进一步强化了嗜乙酸产甲烷菌群的代谢活性。外源QS信号分子C6-HSL还可诱导LB-EPS中PS含量降低,提升UASB系统的Zeta电位,增加污泥絮体的疏水性,显著提升了微生物的絮凝能力,促进了污泥颗粒重构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•     1.1.1 课题背景与来源
•     1.1.2 研究目的和意义
•   1.2 有机废水甲烷发酵技术与理论研究进展
•     1.2.1 甲烷发酵过程及主要功能菌群
•     1.2.2 限制甲烷发酵效能的内在因素分析
•   1.3 EPS在厌氧活性污泥颗粒化进程中的作用
•     1.3.1 厌氧颗粒污泥的理化性质
•     1.3.2 EPS的成分
•     1.3.3 EPS的结构
•     1.3.4 EPS对活性污泥性质的影响
•     1.3.5 影响EPS分泌的因素
•   1.4 废水生物处理系统的微生物群体感应机制研究进展
•     1.4.1 群体感应现象的发现
•     1.4.2 废水生物处理系统中的QS信号分子及其介导的群体行为
•     1.4.3 厌氧生物处理系统的群体感应研究现状
•   1.5 研究的技术路线和主要内容
•     1.5.1 课题的提出与主要研究内容
•     1.5.2 课题研究的技术路线
• 第2章 实验材料与方法
•   2.1 实验装置及仪器和材料
•     2.1.1 实验装置
•     2.1.2 实验废水与接种污泥
•     2.1.3 主要仪器设备及试剂
•   2.2 厌氧生物处理系统的启动与调控运行
•     2.2.1 UASB的启动与OLR调控运行
•     2.2.2 UASB的 SLR和温度调控运行
• 6-HSL投加的UASB运行'>    2.2.3 基于外源C₆-HSL投加的UASB运行
•   2.3 厌氧活性污泥的批次发酵实验
•     2.3.1 培养体系的构建
•     2.3.2 功能菌群的富集培养
•     2.3.3 功能菌群的批次甲烷发酵
•     2.3.4 甲烷发酵功能菌群的碱度需求测试
•   2.4 分析方法
•     2.4.1 常规分析项目及检测方法
•     2.4.2 群体感应信号分子的检测
•     2.4.3 EPS的提取和检测
•     2.4.4 厌氧活性污泥表面疏水性测定
•     2.4.5 厌氧污泥自絮凝能力的测定
•     2.4.6 污泥样品采集保存及16S rDNA高通量测序
•   2.5 数据统计分析方法
•     2.5.1 数据的处理方法
•     2.5.2 微生物群落生物指数的计算
• 第3章 UASB的启动运行及QS系统介导的微生物群体行为
•   3.1 引言
•   3.2 厌氧功能菌群特征QS信号分子的辨析
•     3.2.1 水解发酵及同型产乙酸菌群的分解代谢及AHLs分泌特征
•     3.2.2 产氢产乙酸菌群的分解代谢及AHLs分泌特征
•     3.2.3 产甲烷菌群的分解代谢及AHLs分泌特征
•     3.2.4 功能菌群的特征QS信号分子及其介导的群体行为
•   3.3 UASB在启动过程中的运行特征
•     3.3.1 产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的碱度需求
•     3.3.2 UASB在启动过程中的COD变化规律
•     3.3.3 UASB在启动过程中的VFAs变化规律
•     3.3.4 UASB在启动过程中的沼气产量及气体组分变化规律
•   3.4 UASB启动过程中的生物量与颗粒污泥特性变化
•     3.4.1 生物量及系统的Zeta电位变化规律
•     3.4.2 厌氧污泥的颗粒化进程及自絮凝特性
•     3.4.3 EPS成分的变化规律及其对颗粒污泥特性的影响
•   3.5 UASB在启动运行过程中的微生物群落演替行为
•     3.5.1 群落多样性变化规律
•     3.5.2 微生物群落的演替规律
•   3.6 UASB启动过程中的AHLS动态及其介导的微生物群体行为
•     3.6.1 污泥驯化阶段的AHLs动态及其介导的微生物群体行为
•     3.6.2 OLR提升过程中的AHLs动态及其介导的微生物群体行为
•   3.7 本章小结
• 第4章 UASB在 SLR与温度影响下的微生物群体行为
•   4.1 引言
•   4.2 SLR和温度影响下的UASB运行特征
•     4.2.1 SLR提升对UASB运行特征的影响
•     4.2.2 温度降低对UASB运行特征的影响
•   4.3 SLR和温度影响下的生物量与污泥絮凝行为的特征变化
•     4.3.1 SLR提升影响下的生物量及污泥絮凝能力变化及原因解析
•     4.3.2 温度降低胁迫下的生物量及污泥絮凝能力变化及原因解析
•   4.4 SLR和温度影响下的微生物群落演替行为
•     4.4.1 SLR提升影响下的微生物群落演替规律
•     4.4.2 温度降低胁迫下的微生物群落演替规律
•   4.5 UASB系统应对SLR冲击的QS调控机制
•     4.5.1 QS对功能菌群生长代谢平衡的调控
•     4.5.2 QS对污泥颗粒化行为的调控
•   4.6 UASB系统应对温度降低胁迫的QS调控机制
•     4.6.1 QS对功能菌群生长代谢平衡的调控
•     4.6.2 QS对污泥颗粒化行为的调控
•   4.7 本章小结
• 第5章 外源AHL对甲烷发酵系统效能的调控与机制
•   5.1 引言
•   5.2 外源AHL对 UASB处理效能的调控
•     5.2.1 冲击负荷对UASB处理效能的影响
•     5.2.2 外源AHL对 UASB处理效能的调控
•   5.3 外源AHL干预下的生物量与颗粒污泥特性变化规律
•     5.3.1 外源AHL对生物量及污泥活性的影响
•     5.3.2 外源AHL对污泥颗粒粒径及絮凝能力的影响
•   5.4 外源AHL干预下的微生物群落演替行为
•     5.4.1 外源AHL对微生物菌群多样性的影响
•     5.4.2 外源AHL干预下的微生物群落演替
•   5.5 外源AHL对功能菌群和污泥特性的调控机制
•     5.5.1 外源AHL对功能菌群生长代谢的平衡调控机制
•     5.5.2 外源AHL介导污泥特性变化的机制
•   5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张玉鹏

导师: 李建政

关键词: 厌氧颗粒污泥,群体行为,功能菌群,信号分子

来源: 哈尔滨工业大学

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: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金“厌氧消化系统主要功能菌群的信号调节机制及控制策略”(项目编号:51778171),城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主课题“丙酸氧化型产氢产乙酸菌与产甲烷菌的种间电子传递过程优化及机理解析”(项目编号:2016DX06)

分类号: X703;X172

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000461

总页数: 169

文件大小: 3865K

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