反硝化型甲烷厭氧氧化微生物富集及特性研究.pdf

1、反硝化型甲烷厭氧氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation，簡(jiǎn)稱DAMO)過(guò)程，是以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體的甲烷厭氧氧化過(guò)程。該過(guò)程在2006年首次得到證實(shí)，隨后成為環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。DAMO過(guò)程的發(fā)現(xiàn)為廢水的生物脫氮提供了一種新的途徑，該過(guò)程能利用CH4作為電子供體實(shí)現(xiàn)反硝化，若能應(yīng)用于實(shí)際的污水處理廠中，不但能減少溫室氣體CH4的排放，還能降低污水處理廠的能耗。同時(shí)，DAMO過(guò)程的

2、證實(shí)對(duì)完善全球氮循環(huán)及甲烷循環(huán)的認(rèn)識(shí)有著重大意義。而其獨(dú)特的反應(yīng)機(jī)理更是為O2的產(chǎn)生添補(bǔ)了一種新的途徑。
　　涉及DAMO反應(yīng)的微生物包括ANME古菌與NC10門細(xì)菌，此類微生物生長(zhǎng)極其緩慢，導(dǎo)致DAMO培養(yǎng)物難以獲得，從而阻礙DAMO反應(yīng)的進(jìn)一步深入研究。因此，必須探明影響DAMO微生物富集的主要因素，解決其生長(zhǎng)受限問(wèn)題，才能加快DAMO研究的進(jìn)程。本課題旨在富集不同的DAMO培養(yǎng)物，并研究其所涉及微生物的相關(guān)特性。
　　

3、本試驗(yàn)搭建了4套結(jié)構(gòu)相同的DAMO培養(yǎng)物專屬富集反應(yīng)器，均供給CH4作為電子供體，在不同條件下培養(yǎng)富集獲得了4種不同的DAMO培養(yǎng)物A、B、C、D。其中R1與R2反應(yīng)器啟動(dòng)所使用的接種物相同，均為杭州西溪河底泥、西湖底泥與農(nóng)田水稻土壤的混合物，但所供給的氮素不同:R1反應(yīng)器中供給氮素NH4+與NO3-，經(jīng)過(guò)362天的富集，成功獲得培養(yǎng)物A，含有DAMO古菌(39.4％)與厭氧氨氧化菌(Anammox)(45.8％);R2反應(yīng)器中僅供給N

4、O2-作為電子受體，經(jīng)過(guò)202天的富集，成功獲得培養(yǎng)物B，僅由DAMO細(xì)菌(88.2％)組成。R3反應(yīng)器的啟動(dòng)以西溪河底泥、杭州七格污水處理廠二沉池活性污泥與儲(chǔ)泥池厭氧消化污泥的混合污泥為接種物，并供給NH4+與NO3-，經(jīng)過(guò)232天的富集，成功獲得培養(yǎng)物C，含有DAMO古菌(77.7％)與Anammox細(xì)菌(17.7％)。R4反應(yīng)器以R3反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過(guò)227天富集馴化所得培養(yǎng)物C為接種物，并供給NO3-作為電子受體，再經(jīng)過(guò)326天的富集

5、，成功獲得培養(yǎng)物D，同時(shí)含有DAMO細(xì)菌(62.2％)與DAMO古菌(26.5％)。
　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同氮素組合對(duì)DAMO微生物的富集有著一定的影響。NO3-與NO2-分別對(duì)DAMO古菌與DAMO細(xì)菌的選擇有著重要作用，在同時(shí)供給NH4+與NO3-的培養(yǎng)物A與C中，DAMO細(xì)菌在與Anammox細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)NO2-的過(guò)程中被淘汰。且不同接種物對(duì)DAMO微生物群落結(jié)構(gòu)也存在一定影響。在本試驗(yàn)中，將淡水河底泥、污水處理廠活性污泥及厭氧消化

6、污泥的混合物作為富集DAMO培養(yǎng)物的接種物優(yōu)于淡水河底泥、淡水湖底泥與農(nóng)田水稻土壤的混合物。
　　以培養(yǎng)物D作為研究對(duì)象，考察了pH、溫度與溶解氧對(duì)DAMO反應(yīng)過(guò)程的影響。結(jié)果表明，當(dāng)溫度低于35℃時(shí)，DAMO反應(yīng)速率隨著溫度的降低而下降;當(dāng)溫度高于35℃時(shí)，DAMO反應(yīng)速率隨著溫度的升高而下降;在35℃時(shí)，DAMO反應(yīng)速率最大。當(dāng)pH小于6.5時(shí)，DAMO反應(yīng)速率隨著pH的降低而下降;當(dāng)pH大于7.5時(shí)，反應(yīng)速率隨著pH的升高而

7、下降;在pH6.5與7.5時(shí)DAMO反應(yīng)速率最大。DAMO微生物工作性能與溶解氧濃度成反比，即溶解氧的存在會(huì)抑制DAMO微生物的反應(yīng)過(guò)程。
　　試驗(yàn)檢測(cè)到反應(yīng)器內(nèi)部有N2O的存在，并觀察到其明顯的積累與消耗趨勢(shì)。由于DAMO細(xì)菌不具備N2O還原的基因，因此，根據(jù)此現(xiàn)象提出了兩種相關(guān)假設(shè):N2O的消耗可能由系統(tǒng)內(nèi)除DAMO菌以外的微生物完成;DAMO細(xì)菌中可能存在著除Nos以外的某種未知的N2O轉(zhuǎn)化基因。并在第二種假設(shè)成立的前提下分