（环境工程专业论文）工业化uasb处理阿维菌素废水厌氧颗粒污泥功能菌群研究.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多傻对 指 2 0 o 年5 月习日捌9 删嗽：磅挠 年7 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 协保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者繇乃後耐艚狮签名：撇 汐解5 月习日 切口年r 月2 7 日 摘要 摘要 产甲烷曲群、产氢产乙酸菌群、硫酸盐还缘尉群和丝状菌群是厌氧黝! 粒污泥中 重要的功能茵群。采用基于1 6 sr r n a 的f i s h 技术对工业化u a s b 处理呵维菌素废 水不同形成时期( 颗粒化前期、成长期、成熟期和衰老期) 厌氧颗j ：壹污泥中相应功 能菌群进行分析。结果表明：各类功能菌群及其优势种属在颗粒污泥表面和内部剖 面的钾布形态相同且各优势秽属之间晕现交叉量j 叠分布：但弘能萨群柙对主度存 ! ：篓南产。l j 订一君 ：、产：氢产：二酸菌杵 ；i 酸打n 原荫群和：| 、菌君i 行，i ： f d 开二成彤， 段黟和j 己；匕仁| 相对千度范匿分别为 2 5 5 ( j - 8 6 3 哆”5 0 8 0 + 8 8 7 0 ：、 1 ( f ) ，：。j 。“一二i ：j ( ：二i 12 7 j1 r j ：? ：! - ：1 7 f i - 一i 1 j ：，矛：1f ，= ) 一：5 二：1 己一，j ：“一： j _ 甲烷菌襁j 缸氢产乙酸菌群和硫酸盐还原菌群在颗粒污泥中的相对丰度i i f i 看颗粒污 泥形成时间的延长丽增大，成熟期最大：颗粒污泥表面产甲烷菌群的相对丰度小于 内乱而颧境污 j 襄面：氢产乙酸菌君j 六予其内鼽。互j 已报道研宽结果比较丽维 酲乏i 乃0 ji j 晚对莉h 土污泥甲功能菌群? t 生抑制作跣。4 ：涮形成盱；艾日习顿杜；丁泥最，：。 比立甲烷活性范围为1 3 1 1 1 5 6 2g 【g d ) 最大比产乙酸速率范围为0 9 1 2 1 1 4 5 g ( g d ) 。且不同形成阶段的颗粒污泥产甲烷活性和产乙簸活性与颗粒污泥中产甲烷 菌群和产氢i 。c 乙酸菌群的相对丰度变化趋势一致，表明颗粒污泥的声甲烷活性与产 乙酸活性与产甲烷菌群和产氢产乙酸菌群的相对丰度密切卡f j 关。 f 司时还采用了p c r d g g e 技术对颗粒污泥中微生物群落进行丁分析，结果表明： 颗粒污泥中占优势的古菌菌群主要是产甲烷菌群，其3 个优势种槭分别为产甲烷杆 菌、产甲烷八叠球菌和产甲烷髦菌，其相对丰度分别为5 0 0 3 、3 9 2 2 和1 0 7 5 ， 这与f i s h 的分析结果一致。 关键词厌氧颗粒污泥：功能菌群：f i s h ：相对丰度：p c r d g g e ；微生物群落分 析：阿维菌素 河北科技大学硕士学佗论文 皇皇= ；皇昌= 鲁墨昌昌昌罩葛昌= 昌昌昌鲁= 昌昌号宣| _ l i - 昌皇= 昌昔薯薯曩皇置皇昌e = 宣畜昌宣昌皇皇昌昌皇= = 昌昌鲁= = = 昌昌昌皇昌墨罱 昌目昌i = = = e一：= ：昌昌昌= a bs t r a c t m e t h a n o g e n s s y n t r o p h i ca c e t o g e n i cb a c t e r i a s u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i aa n df i l a m e n t o u s b a c t e r i aa r ec o n s i d e r e dt ob e i m p o r t a n tf u n c t i o n a lm i c r o b i a lp o p u l a t i o ni na n a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ( f i s h ) b a s e do n16 sr r n aw a su s e dt o a n a l x7 。t h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n a lm i c r o b i a lp o p u l a t i o n so fa n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e w i t hd i q e r e n tf o r m a t i o np e r i o d s ( i n i t i a lp e r i o d d e 、7 c l o n i n gp e r i o d m a t u r ep e r i o da n d a g i n g p e r i o d li naf u l l s c a l eu a s bt r e a t i n ga v e r m e c t i n 、 ，a s t c w a t e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e d i s t r i b u t i o nf o r m so f m e t h a n o g e n s s y n t r o p h i ca c e t o g e n i cb a c t ：r i a s u l f a t e r e d u c i n s o a 、- 。r i ：l l 。f i ；t m c n t ( u sb a c t e r i a 台；w e h a b t h e l ；o 。m i a a n ts p e c i e 、一e r ei o c ：l t l 。a l ( j jt h e s u r f a c ea n di n n e rf a c eo fg r a n u l a rs l u d g e s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tf o r m a t i o np e r i o d s 1 n a d d i t i o n t h ed o m i n a n ts p e c i e ss h o w e do v e r l a pd i s t r i b u t i o n h o w e v e r t h e r e l a t i v e a b u n d a n c e so t t n e s ef u n c t i , ，n a lb a c t e r i a l p o p m 。帆m ：- w e r e d i f f e r e n t t h ：r e l a t i v e a b u n d a n c e so fm e t h a n o g e n s s y n t r o p h i ca c e t o g 、一l i cb a c t e r i a s u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i aa n d f i l a m e n t o u sb a c t e r i aw e r e 2 5 5 0 + 8 6 3 t o5 0 0 8 - 4 - 8 8 7 10 0 8 士0 81 哆o t o 2 8 0 6 2 12 10 3 5 + 2 3 3 t o16 16 + 4 5 9 a n d16 6 9 2 51t o2 3 9 3 士4 ：6 2 r e s p e c t i v e i 3 t h er e l a t i v ea b u n d a n c e so fm e t h a n o g e n s s y n t r o p h i ca c e t o g e n i cb a c t e r i aa n ds u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i ai nm a t u r eg r a n u l a rs l u d g ew e r em a x i m u m t h e r e 1 a t i v ea b u n d a n c e s o f m e t h a n o g e n so nt h ei n n e rf a c ew e r el a r g e rt h a nt h o s eo nt h es u r f a c eo fg r a n u l a rs l u d g e s a m p l e s o nt h ec o n t r a r y t h er e l a t i v ea b u n d a n c e so fs y n t r o p h i ca c e t o g e n i c b a c t e r i a so nt h e i n n e rf a c ew e r es m a l l e rt h a nt h o s eo nt h es u r f a c eo fg r a n u l a rs l u d g e s a m p l e s t h e a v e r m e c t i nr e s i d u ei nw a s t e w a t e rs h o w e d p o s s i b l ei n h i b i t i o n e f f e c to nf u n c t i o n a l m i c r o b i a l c o m m u n i t y c o m p a r e dt h e i rr e l a t i v ea b u n d a n c e s w i t hr e p o r t e dc a s e s t h e m a x i m u ms p e c i f i cm e t h a n o g e n i ca c t i v i t i e so fg r a n u l a rs l u d g es a m p l e sr a n g e df r o mi 31 i t oi 5 6 2 9 ( g d ) 叫a n dt h em a x i m u m s p e c i f i ca c e t a t er a t er a n g e df r o m0 9 1 2 1 1 4 5 9 【g d ) t h ev a r i a t i o nt e n d e n c i e so fm a x i m u ms p e c i f i cm e t h a n o g e n i ca c t i v i t i e sa n f lt h em a x i m u m s p e c i f i ca c e t a t er a t eo fg r a n u l a rs l u d g es a m p l e sw e r et h es a m ew i t ht h er e l a t i v ea b u n d a n c e o fm e t h a n o g e n sa n ds y n t r o p h i ca c e t o g e n i cb a c t e r i a i m p l y i n gt h es t r o n gc o r r e l a t i o no f m e t h a n o g e n sa n ds y n t r o p h i ca c e t o g e n i cb a c t e r i aw i t hb i o a c t i v i t yo fg r a n u l a rs l u d g e p o l ，v m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ( p c r ) a n dd e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ( d g g e ) w e r ea l s ou s e dt oa n a l y z et h em i c r o b i a lc o m m u n i t yi nt h ea n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tm e t h a n o g e n sw e r et h ed o m i n a n ta r c h a e aa n dt h e i rd o m i n a n ts p e c i e s w e r em e t h a n o b a c t e r i a c e a e m e t h a n o s a r c i n a c e a ea n dm e t h a n o s a e t a c e a e a n dt h er e l a t i v e a b s t r a c t a b u n d a n c e sw e r e5 0 0 3 3 9 2 2 a n d10 7 5 r e s p e c t i v e l y ，t h i sw a si na c c o r d a n c ew i t h t h er e s u l t so t f i s ha n a l ys i s k e 、w o r d s a n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ：f u n c t i o n a lmi c r o b i a lp o p u l a t i o n s ：f i s h ：r e l a t i v e a b u n d a n c c s ：p c r d g g e ：m i c l 。o b i a lc o m m u n i t y a n a l y s i s a v e r m e c t i n i 皤 河北科技大学硕士学位论文一 目录 摘要j a b s t r a c t ：i l 第1 章 绪论l 1 1 阿维菌紊废水处理现状1 ：! 1物f ； ：j 1 1 2 生亿；：。2 ， ! ? 掣。攀i ? 酽冒：5 w ：f ：遵屏- ：一一；。- 。_ j 二 1 2 1 形成条件：2 1 2 2 影卧j j 匦l 葛3 ! 2 3 形成护：堡：j ：4 1 3 厌f e 糯粒污泥功能菌群研究现状及进展5 1 3 1 舒子生物学技术简介5 1 3 2 厌氧颗粒污泥功能菌群概述：_ 7 1 3 3 舒子生物学技术在微生物菌群群落分析中应用：7 8 1 4 研究内容9 1 5 研究目的和意义一l0 第2 章实验材料与方法1 l 2 1实验材料1 1 2 2实验方法l3 2 2 1f i s h 13 2 2 2颗粒污泥总d n a 提取方法15 2 2 3p c r 16 2 2 4 d g g e 一：一l6 2 2 5s e m 18 2 2 6 厌氧颗粒污泥产甲烷活性测定18 目录 2 2 7 厌氧颗粒污泥产乙酸活性测定1 9 2 2 8 厌氧颗粒污泥沉降性测定2 0 2 2 9 厌氧颗粒污泥机械强度测定2 0 第3 章阿维菌素废水厌氧颗粒污泥产甲烷菌群分析2 1 3 1不同形成阶段厌氧颗粒污泥产甲烷菌群分布形态和相彩丰度2 】 3 1 1颗粒化前朗2 2 3 12 战长期2 4 ： 7 3 1 3 f j 延i 啁2 t j 1 j褒老妙” 一、j ? - ) 三；，：7 h 牺：j - ；弓0 jq ：b 卤苗i 蒋：力杌：j j ? ：- 3 5 3 3厌氧颗粒污泥活性与产甲烷菌群相对丰嗖之州的关系：4 0 3 41 ：争，j 、纾。：_ 4 f - ， 第- ；章。阿维菌素废水厌氧颗粒污泥产氢产乙酸菌群分析4 2 4 1不i 司形成阶段厌氧颗粒污泥产氢产乙酸萤群分布形态和相埘丰度4 2 。 4 1 i颗粒化前期_ 一4 3 4 1 2 成长剪h 4 4 1 3成熟期4 7 4 1 4 衰老期：5 2 4 2 厌氧颗粒污泥中产氢产乙酸菌群与产甲烷茵群分布关系5 7 4 3 产氢产乙酸菌群相对丰度与厌氧颗粒污泷活性之间的关系5 9 4 4 本章小结5 9 第5 章 阿维菌素废水厌氧颗粒污泥其他功能菌群分析6 1 5 1丝状菌6 l 5 2 硫酸盐还原菌一6 3 5 3 本章小结6 5 结论6 6 参考文献一6 7 攻读硕士学位期间发表的论文一7 8 v 河北科技大学硕士学1 ：i ；i 仑文 致 谢7 9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1阿维i t - 菌素废水处理现状j i h j 二幽系投j 处垤圳认 阿维菌素( a v e m e c t i n s a x ，) 是一类具有杀虫、杀螨和杀线虫功能的新型十六元 大内酯娄抗生暑：，由链霉菌中灰色链霉菌s t r e p t o m y c e sa v e r m i t i l i s 发酵产生旧 。 阿维茼紊足一种新型、高效和广谱性生物农药胃：有结构新莉幂【j 农畜两垌等特点1 4 l ， 通；：? 1 i 扰；：虫的神经生理活动丧刺激v - 家摹广嚏作用干章m 蜗弓f j l 肉接头增加 ：鼠般予晌i 疗一抑驯神蔓经哆：的信思传j 茧矽、丌1 专：敛簪虫7 i 争螨出j ，。麻痹而中毒死 ：1 ：弦 ，；弼二菌素是21 世岂首逸的生物农药而阿维简袭的泛应尉也带必了一些伊 一：j n i i ：攻j “| j f 。乡! ：苗：二j ：，乏：i j ：? 。7 ：詈臆0 ： ：j ，j l ：k 吨熟盲袭房：汜j 就要产：生2 0 0 10 0 0 t 高浓度有机废水，给环境带刊：了严重的污染 阿维r 肖索废水是一类含难降解物质和生物毒。降物质的高浓度订机陔水，也是一 拳涮的墨降匍罕有机废水喜：主要特 i ! ：( 1 ) c o d 勺2 60 0 0 3 20 0 0 m g l b o d 走 1 3lj u l 一150 0 0 m g l “干is s 为5 0 0 18 0 0 r a g l 。；( 二j 存侄叉j ：e 物：二县订毒住的物厩， 如残留阿维菌素及其中间代谢产物等。( 3jp h 低在3 5 4 5 之间温度彰：高色度 高和气味坐。 目百讧国内外学者对阿维菌素废水处理做了夕：耋 ：研究，处理歹倍j r 玎归纳为以下两 种：物化法和生化法唑 1 1 1物化法 ： 目前直用的物理处理方法主要包括混凝一沉淀法和电解法。 混凝一沉淀技术广泛用于制药废水的预处理，其关键在于高效混凝剂的制备和 选取。李再兴1 9 j 等采用粉煤灰和硫铁矿烧渣自制( 聚合硅酸铝铁) p s a f 混凝剂预处 理阿维菌素废水取得了较好的混凝效果，其最佳工艺条件如下：ph 值为6 5 7 5 ，投加 p s a f 的质量浓霞为8 0m 2 l - 1 ，废水中c o d 、s s 和a v m 的去除率可分别达到18 9 、3 4 6 和2 0 5 处理后废水p ( b o d 5 ) ( c o d ) 由0 3 l 提高到0 4 2 ，大大提高了废 水的可生化性，为废水的后续生化处理打下了良好的基础。 李再兴i l o j 等利用f e c 内电解技术处理阿维菌素废水也取得了明显的效果。其试 验简介如下：以充入p h 值3 - 6 的废水为电解质溶液，铁屑与炭粒形成无数微小原电 池，释放出活性极强i i o h 】。新生态的【h 】能与溶液中的许多组分发生氧化还原反应， 同时产生新生态的f e ，新生态的f e 2 + 具有较高的活性，生成f e 卜，随着水反应进 行，形成以f e 3 + 为中心的胶凝体，从而达到对有机废水的降解效果。此法处理含阿 维菌素质量浓度为2 ( ) 4 l t g l ，c o d c ，为3 16 0 0 m g j 。1 的废水3 0 r n i n 后废水的a v m 河北科技尢学硕士学位论文 和c f ) d ( ，的去除率分别达到6 8 5 和1 9 5 。f e c 处理法可使废水的可生化性大大 提高为后续生化处理创造了有利条件。但是在处理过程中会因为试剂的过量使用 易导致水体二次污染的产生。 1 1 2 生化法 j ：流式厌氧污泥床( u a s b ) 是处理阿维菌素废水常用的厌氧工艺，u a s b 反直器 具有厌氧消化效率高、结构简单等优点。目前较多采用的是u a s b + 接触氧化组台 ： 之，其处理仉荷高，为1 0 k g ( m 。d ) “以上，有机物去除效果好，c o d c r 、b o d i 相s s l ! 乞一：陈蓦净别一：r9 7 哆9 8 5 和9 2 8 o - 。但在茅用u a s b 处理阿维篚z 废水自勺 际运行 b 可维菌素残留台对厌氧菌群产生生物毒洼或者抑制作用影响处理效果： 研宄，j 明阿维菌素咳7 i ，对腰氧环境中的寸田烷萤活性具有抑带：作用虽然在e hli 童；i j bo 房：革l 处琏平越过，l = 兰期h j _ 试j ：二i j 取街 玛- 的效果，升1 奠吠+ 札4 - ，、应豁i 【r 微生物固定化形成性能优良的厌氧颗粒污泥。例如：由于厌氧处理过程中起主要 代谢作用的尹：酸菌和产甲烷菌具彳f 相对不同的生轸 学特征因此可以分别构造适台 j 乓羔卜一：同研：境簪化利用声酸萤生长。k 计善物敏感生善的特i ：将善：化为暖气一 过程的苜段，以提高麽：水的可生化性，减少废水的复杂成分及毒性对- 立旰i 烷菌的 n ： 制作刚提高处理系统的抗冲击负荷能7 j 。 厌氧法处理效果好，无二次污染而成为阿维饼素废水的首选工艺。在厌氧反应 器。l _ j 列废水一+ j 有机污染物起降解作用的是具有良女j 沉降性和微生物活性的厌氧颗粒 污泥：颗粒污泥是厌氧反应器的生物主体对于厌氧反应器的启动、高效和稳定运 行其有关键作用，所以研究厌氧颗粒污泥的结构和特性对于反应器的正常运行是非 常必要的。 1 2 厌氧颗粒污泥研究现状及进展 厌氧反应器能否高效和稳定运行的关键在于反应器内能否形成微生物适直、产 甲烷活性高、沉降性能良好的厌氧颗粒污泥，对于厌氧颗粒污泥的研究一直是国内 外研究热点i i 引。目前对厌氧颗粒污泥的研究主要集中于厌氧颗粒污泥的形成条件、 影响因素和形成机理等方面。 1 2 1形成条件 厌氧颗粒污泥的形成主要受以下条件的影响：废水性质、污泥负荷率、系统的 选择压、碱度、接种污泥和环境条件的影响。一般处理含糖类的废水较易形成颗粒 污泥，而含脂类、蛋白质及有毒物质的废水较难形成颗粒污泥或形不成颗粒污泥： 影响污泥颗粒化最主要的因素是可生物降解有机物f c o d ) 的负荷率，当污泥负荷率达 到0 3 k g c o d ( k g v s s d ) 一以上时可以形成颗粒污泥，这为微生物的生长繁殖提供充 铕1 章绪i ( 足的营斧物质：升流是u a s b 反应器内产生颗牲污泥的必要条件，水流的上升流速 ( 即水利负荷军) 和沼气的上升流速( 即产气负荷率) 是表征升流条件的物理量， - 军i 统称为系统的选择压，选择压对污泥床产生沿高度方向的定向搅拌和水力筛选 作最，定同搅拌作用产生的剪切力是微小颗粒产生不规则的旋转运动，有利于丝：趺 微l i 物f j j 相互绑绕为颗粒污泥的形成提供一个夕! 、部条件，而水力筛选作用则将微 小颗粒与絮体分开使颗粒污泥聚集于污泥床睫：碱度是对黝i 粒污泥的形成也有重 要1 1 锄运形成颗半i ：；o 泥的碱度一般不喧小于7 5 0 m 2 i “( 以c a c o ，p - j 这样可以确 伤：反瞳器的p t 仃：维持仔6 5 7 5 之间：接种污；，已是反应器内：屯羔：襞j ：苞污泥的基础， 掺i ：；：。? 三：j 二一：暑。n j 毽一尊 1 自勺 ；：t 但聚：j ：、i j 二自勺：皇j 一廷、在凳：妊i 修：鲁：凿自： 基蚍一一 j j q 那，j 接田污溅应渺：毡孝一定的f 日j 铣活t ：一：m ：屯! 条仁：阴反啦器，匈颗粒 扛lf 戎 i i ! ：般；? 沈2 f l 。：f 1 溢l3 5 1 i# 。吾曩置j 。：。了j ! f 青i 培莠譬i 蔫 涵r ：，、鞭弛；，l ，且缸唆尴i 苟，买j 二枞； t i ，乙，焉，婴酮盱1 日j 也足。仳盘忮辽商或 过低均对污泥的颗粒化不利，罗j 外，反应器内的p h 值直保持在7 0 左右这也是非 常西理的lj 。 1 二二影响医豪j 一厅i u jl 生、寿 厌氧糯j t 污泥的牛物活性( 产刚烷衍性和产：乙酸活性j 和物化特。性二( 机械强度 和沉降。l k i i = - - j ：要受温胜、p h 值、金属离子和抑翩剂等影响。 温f 1 1 ：芝对j 父氧颗粒污泥生物活性和物化特性的景；响主要是通过对厌氧微生物细胞 胞内酶的景钏u 来实现的。温度影响微生物细胞l i , j t t ：l i 活性，从而影响到微生物的生长 速率和对有机物的代谢速率，进而影响到反应器研能达到的处理负荷和对有机污染 物乏j 除效身啦! 。p h 值也是影响微生物厌氧消化的重要因素，厌氧消化需要在一个 相对比较稳定的p h 范围内进行，参与厌氧反应的各类微生物菌群，特别是产甲烷菌 群对p h 值臼，j 变化非常敏感，p h 值过高或过低翻：公使其生长和繁殖受到抑制，从而 影n 川到整个厌氧消化的速率口h4 | 。 金属离子是厌氧微生物维持正常的生理活动和新陈代谢所必不可缺少的物质。 微生物对金属元素的需要量非常少，但是这些微量金属元素的缺乏却能导致微生物 活性的下降从而影h 向到整个厌氧反应器运行的稳定性和对污染物的去除效果。厌 氧微生物所需要的微量金属元素主要有n a 、c a 、f e 、n i 、c u 、z n 、c r 、c o 和m o 等这些微量金属元素在微生物生长过程中起着非常重要的作用，如n a + 可以刺激厌 氧颗粒污泥产氢活性，当系统中n a + 浓度在10 0 0 20 0 0 m g l 一时其产氢活性最大 1 2 5 - 2 0 1 ：与n a l 相比，二价的c a ：+ 在厌氧污泥颗粒化过程中起着重要的作用，当废水中 c a 2 + 浓度为1 0 0 2 0 0 r a g l j 时，污泥颗粒化速度明显加快，且其机械强度也相应增大 1 2 0 3 0 j ：f e 也有助于提高颗粒污泥的机械强度，n i 魁产甲烷菌辅酶f 4 3 0 和氢化酶的重 河北科技大学硕士学位论文 要红i 成成分其他的金属元素如c u 、z n 、c r 、c o 和m o 等是微生物菌君f 新陈代谢过 程中某些酶或辅酶的重要组成部分。但是这些金属元素在废水中的含量过高的话就 会对微生物产生毒害作用，使颗粒污泥的活性下降从而影响到反应器的处理效果 - 34 1 厌敏生物处理废7 j ，中的抑制剂主要是指挥发性脂肪酸( v f a ) 、长链脂肪酸 ( l c f a ，、卤代物和抗生素等。 v f a 丰要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸戊酸礼己酸极其异构体等v f , k 对厌氧 颗粒污泥的抑计性驴；蔓于p h 值若系统中v f a 大鼍累积则会造哎系统f f i - p h 值下 降进而影啊刊产吁i ，定等这些硝p h 敏感的微生；：j 性下u i ? 据报i 鱼2 6 f ，乙酸机 丙酸自勺爿冲制活性( i c 5 ) 分别为1 6 m g l 。和6 m l , l - 1 ( 均以c o d 钞卜弘 贮础链i 秽层i 超芝12t 丝铆章隧就矿：。：链f h 謦：。 ：j ? ：刚r t 一“旺 粒污泥的抑制性主要是由于其难生物降解，但是一旦其发刍三降船，彩! 粒j j 泥的活性 也就随即。恢复”j ： 废水山的卤代物在很低浓度时就能把暖字惭粒污淀中的细萨杀矽e 砭五氯酚 l j ( 征儿7 ：m g l 明就幺j j i 起绷菡的乡。= ：j 、苯对颗粒；j j 疋广l i 屯活性兵柑讯 明显的抑制作用其l c 5 f 1 约为1 0 0 m g l ：2 溴乙烷磺酸盐( b e s ) 也j 二一一种选择性 的抑制剂，它的结构类似于产甲烷过程中特有的辅酶m 的结构，对：氧颗粒污泥的 产甲烷活性具有很强的抑制作用，1 0 m o l l 1 就能抑制细菌的产甲烷活性：，1 0 - 4 m o l l 一 就能完全抑制细胞的生长1 4 1 。4 6 1 。 抗笠j 素对厌氧颗粒污泥活性的抑制主要有则下三种方式：艮l j 细菌细胞壁的合 成如d 环丝氨酸：破环细两细胞膜，如莫能霉紊等：抑制蛋白顷的生物台成，如 氯霉素和四环素1 4 7 - 4 9 】。 1 2 3 形成机理 厌氧污泥的颗粒化是一个物理因素、化学因素和生物因素综台作用的过程，厌 氧颗粒污泥可以被看作是在一定水力条件下厌氧础：生物的自我固定化而形成的微生 物菌群的聚集体。目前主要有三类描述厌氧污泥形成过程的模型，一类是以颗粒污 泥结构分析为基础而建立起来的结构模型，如惰性核模型、胞外多聚物模型、二价 阳离子桥架模型和s p a g h e t t i 模型等：第二类是以对细胞之间相互作用的动力学为基 础而建立起来的热动力学模型，如次要最小化吸附模型、局部脱水模型和表面张力 模型等：第三类是以细菌细胞膜表面的质子转移活性为基础质子转移一脱水模型， 这个模型可以解释在污泥颗粒化过程中生物因素所起到的吸附作用和污泥颗粒化的 分子机理眦5 53 | 。 4 第】章绪论 1 3 厌氧颗粒污泥功能菌群研究现状及进展 传统的基于可培养的微生物学研究方法对反j 立器中微生物多样性的研究上存在 很大的缺陷传统的分离培养方法研究废水处理系统时，一个主要的问题就是将在 实验室分揭到的具有重要功纰1 2 m l q j 刨l n j 7 , 生物投吲废水系统中时，该微生物很难发展成为 系统中的优势种。这主要是围菌种本身的生存能力及其降解有机物的能力所决定的。 目前主要喧用舒子生物学的手段来j 反直器网的微生物生态进行研究| 5 4 。， 分子生物学方法与传统培养方法的区别在二j 传统方法是先逆行菌种分离然后 鉴定j 功能与分娄地位也就是说其功能是吞：安p 宝每千生卜的功能衲分子生物学 力j j i 是暾扎条纡c 酮切i 屯 。二按；j 埏其优多7 j l ：卣i p 一开j 培二过澎v ：jj 巫j 剐生造成的偏 差昕鉴j 之出的微生物2 经 i 芊? 了在版水处理系! j f p 发展成为优势聊的潜力这对 一 f ；。- _ j “_ 三氆7 ：o 一! ， 二 f 。：! ：= v 。 二 1 3 1 分子生物学技术简介 目前国内外对厌氧颗粒污泥的形成机理2 、微观结构、工艺条件以及微生物群 落譬：0 、方面m jfp 一。昏：i ：应用于和 j 譬构，力乱：舒二二刍物掌技7 ： 乎零鬲、 丸原位寺l ：交rf l u o r e s c e n c ei ns i t uh v b r i d i z a t i o n f i s h ) 技术_ 卡u 聚舀孽链式反应一变 性梯度凝胶电泳f p o j y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n d e n a t u r i n gc j r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s p c r d g g ) 技术。 1 3 f 1 f i s h 技术 h s h 技术是在放时性同位素原位杂交技术上发展而来的1 9 6 9 年g a l l 、p a r d u e 小 和j o h n 等人分别独立建立了放射性同位素原位杂交技术。其基本原理是利用核酸分 子碱基顺宇配对的互补性，用同位素标记的外源核酸探针与染色体上经过变性后的 d n a ( r n a ) 进行杂交用放射自显影方法原位显示核酸探针在染色体上的位置。但 同位素探针的高背景限制了它对靶序列的精确定位，而且同位素标记存在实验周期 长、分析复杂、放射性不稳定、污染环境和影响人的健康等诸多缺点。为了克服以 上缺点，人们开始尝试更灵敏、更有效、更安全的标记方法，这就促使了荧光原位 杂交技术的产生。f i s h 技术最近1 0 年已经成为鉴定环境微生物的个标准方法， 此技术已经广泛应用于多种环境的微生物群落分析，主要分析对象为人工培养微生 物群落和自然微生物群落两大类i ) 几引j 。 f i s h 技术的基本原理是两条核苷酸单链片段，在适宜的条件下，能和氢键结台， 形成d n a d n a 、d n a r n a 或r n a r n a 双键舒子的特点，将带有荧光标记的( 荧 光素、地高辛等非放射性物质) d a n 或r n a 片段作为核酸探针，与组织切片或细胞 内待测核酸( r n a 或d n a ) 片段进行杂交，然后可用放射自显影等方法予以显示， 在荧光显徽镜下观察目标m r n a 或d a n 的分布形态和相对丰度，用原位杂交技术 河北科技大学硕士学位沦文 可在原位研究细胞台成某种多肽或蛋白质的基因表达。此方法有很高的敏感性和特 异性可进一步从分子水平来探讨细胞的功能表达及其调节机制1 6 2 6 3 1 。 荧光探针是指用荧光物质标记过的具有特异性序列的一小段寡核苷酸，一个典 型探针长变在15 3 0 b p 。按照杂交的原理，探针应该具备两个条什：第一、探针应该 是单链的第二、要带有容易被检测的标记。 我们常用的探针主要有以下三种：a ) 染色饲：q - 7 异重复亭列探针，像0 【卫星、卫 星i i 】类的探针它们的杂交靶位常大于1 m b 不含敞在重复亭列与靶位结台紧密 杂交信号强j 易于拇湖1 常用于监测细胞间其：| 非黟倍染色体。b ) 染色付：或缨色体 区域特异忧掾计。：田一条身：色体或其一集。区域特异性商的核酸片段多 j 成， l 可田克 隆到嘭卤体或粘粒二：的染色体特异性大片段文库制取。这类探钞f 用于中明染色佴 孽曩素：- f 。 讣_ 一l ：+ ：、特量仁：i 鼋掺铲；互雨：- 重常只一t 、曼：，+ _ 5 ；二吲墨f j ? 可由特定d n a 夕：片段的分子克隆或c d n a 免隆制取主要片j 来进行基凼免醢、d n a 序列定位币f l 检测靶d n a 宇列拷贝数及其结构变化i 斛6 5 i 。 扬i 譬卜的标i 己方：直接标记法和间接标记汪、。商接标记法是日j 旋光染丰： 直接标 记核亡酝常用荧光觌料有异硫氰酸穸：圪未、7 ：, l q ：，和罗丹明( r o x 焉 蚓按朽 记法起先在核酸探针上连接一私，半抗原，然后通过能同半抗原特异结台的4 示i g 堡白 对目标核酸分子进行检测。最常用半抗原是生物素和地高辛。直接标i g f t ：jj 采针经简 单冲洗就可镜检，省去了间接标记探针杂交后雾锁的检测步骤，但不能像间接标记 那样进行彩彬骡信号放大因而不如间接标记探针灵敏，但靶序列片段较大时f 数百 k b ) 仍较可靠且探针标i 己种数不受限制h 6 f 。 1 3 】2p c r d g g e 技术 16 sr r n a 是原核生物核糖体中一种核糖体r n a ，长约1 5 k b 。对微生物的l6 s r r n a 进行分析可以揭示微生物的多样性，使人们对微物群体有个全面、更深层的 认识细菌的1 6 sr r n a 可变区序列因不同细菌而异，保守区序列基本不变，所以可 以利用保守区序列设计引物将1 6 sr r n a 片断扩增出来，利用可变区序列的差异来对 不同种属的细菌进行分类鉴定。该方法既能体现不同菌属之间的差异，又能利用测 序技术来较容易地得到其序列。对不同细菌的1 6 sr r n a 序列进行同源性比较分析， 是推断细菌系统发育和进化关系的一个重要方法1 6 卜7 1 】。 p c r 技术是1 9 8 5 年美国c e t u s 公司的m u l l i s 和s a i k i 等发明的一种基于生物体 外对特殊核酸进行扩增的引物延伸反应。它解决了环境样品中提取的核酸量通常过 低而不能很好分析的难题，是分子生物学研究重大突破之一。p c r 技术的原理：用 加热的办法让研宄的双链核酸片段变性，解旋变成两条单链，然后将人工台成的两 个引物结台到核酸模版的两端，最后在核酸聚台酶( t a q 酶) 的作用下大量复制该模 版整个过程的实现是通过控制不同的温度来完成的1 72 i 。 笫】奄绪论 ，d g g e 技术是由f i s c h e r 和l e r r n a n 等首先创建的，1 9 9 3 年，m u y z e r 首先将d g g e 技术直e f j 子微生物生态学中。这项技术直接利用d n a 和r n a 对微生物遗传特性进 行表缸不但避免了传统上耗时的菌种分离，更可进而鉴定出无法利用传统方法分 离出来的菌种d g g e 技术所分析出的微生物群落多样性使我, t i m 台h , l b 够快速、准确地 黪定自然生境或人工生境中的；牧生物个体小，并进行复杂微生物群落结构演替规律、 徽生物种群动态t ：、重要基因定位、