生物强化处理PPT课件

生物强化技术及其在水污染治理中的应用 主要内容 生物强化技术产生背景生物强化技术的作用机理及特点生物强化菌剂的来源生物强化技术在水污染治理中应用的意义生物强化技术工艺发展现状及应用效果评价现代生物技术在生物强化研究中的应用 一 生物强化技术产生背景 两个基本概念Bioaugmentation 生物强化 生物增强 投菌法Bioremediation 生物修复 生物整治产生背景二十世纪七十年代中期Superbugsrescuewasteplant Anon 1977 ChemicalWeek 对采用生物强化技术存在的争议普遍存在适者生存 BioremediationandBioaugmentation Bioremediationwillbedefinedastheuseofselectedmicroorganismstoaccomplishabiologicalcleanupofaspecifiedcontaminatedarea suchassoilorwater Bioaugmentationwillbedefinedastheapplicationofselectedmicroorganismstoenhancethemicrobialpopulationsofanoperatingwastetreatmentfacilitytoimprovewaterqualityorloweroperatingcosts Inotherwords bioremediationdealswithafiniteprojectorarea whilebioaugmentationinvolvesworkingtoimproveacontinuousprocess 二 生物强化技术的作用机理及特点 作用机理直接作用共代谢作用基因水平转移作用应用特点优点操作简单 因地制宜 应用灵活针对性强 见效快缺点系统中高效菌数量和活性不易控制 共代谢 就是对于一些有毒有害物质 微生物不能以其为碳源和能源生长 但在其它基质存在下能够改变这种有害物的化学结构使其降解 如以甲烷 芳香烃 氨 异戊二烯和丙烯为主要基质生长的一些菌可以产生一种氧合酶 这种酶可以共代谢三氯乙烯 TCE 生物强化作用机理 如何实现生物强化技术 高效菌种的培育从自然界筛选构建基因工程菌 高效菌种在投加系统内的保持及活力表达原生动物捕食 水力流失 有毒有害物质抑制 DO pH微生物检测技术 对目标物的有效去除或对某方面性能的改善 三 生物强化菌剂的来源 从自然界筛选构建基因工程菌直接购买商业菌剂 从自然界筛选高效菌种的步骤 摇瓶培养 发酵罐培养 菌剂 富集反应器 off lineenrich reactor 典型活性污泥工艺 获得特定的目标基因 目标基因片断 载体 质粒或病毒 质粒DNA片断 重组DNA 重组DNA进入受体细胞内扩增并表达 具目标基因表达功能的重组体 核酸内切酶切割 核酸内切酶切割 细胞外重组 转化 质粒 转导或转染 病毒 利用遗传标记筛选 基因工程菌构建过程 GenecloningandExpressionusingPlasmidpBR322 基因工程菌应用实例 BurkholderiacepaciaG4 在芳香族化合物存在的条件下能够共代谢三氯乙烯 TCE 但降解中间产物会对该菌起毒害抑制作用 通过Tn5插入产生BurkholderiacepaciaG45223 PR1 能够从结构上表达降解TCE的邻甲苯单氧合酶 因此在没有诱导物 如芳香族化合物 的情况下也可降解TCE Winkleretal 1995 商业菌剂 形态干化和液态组成自养 异养和兼性菌选择注意事项 1 在较低或较高温度下生长的能力 2 抵抗高浓度污染物的能力 3 抗重金属的能力 4 在较宽泛的环境和介质中生存的能 5 产生生物表面活性剂 更利于与污染物接触 四 生物强化技术在水污染治理中的应用现状 高浓度有机废水 有毒 有害难降解污染物的治理 脱氮除磷 改善系统污泥特性 降低污泥产量 强化废水中油脂的液化和降解江河湖泊等的水体修复地下水生物修复 生物强化技术在水污染治理中的应用实例 Groundwaterbioremediation Groundwaterbioremediation Plumberbestfriend BioOne ADaphniaspeciesActualsize 2mm Beforebioaugmentation Afterbioaugmentation 生物强化技术在水污染治理中的应用效果评价 提高对目标去除物的去除效果改善污泥性能 减少污泥产生加快系统启动 增强耐负荷冲击能力和系统稳定性 对目标去除物的去除效果提高 Selvaratnam等人筛选到一株苯酚的高效降解菌 PseudomonasputidaATCC11172 将这种菌投加到SBR反应器中 这种菌在40天内对苯酚的降解率始终维持在95 100 而那些没有接种高效菌种的反应器 苯酚的去除率由初始100 降低到40 Chin在附着生长生物床加入降解BTX 苯 甲苯 二甲苯 的混合优势菌 在HRT为1 9小时时 生物增强系统可去除10mg l的BTX 而非强化系统去除仅为3 2mg l 改善污泥性能 减少污泥产生 生物增强作用不仅可以有效消除污泥膨胀 增强污泥沉降性能 而且大大减少了污泥的产生 一般可使污泥容积降低17 到30 Chamber研究生物增强技术在延时曝气 曝气塘和氧化沟三种不同系统中的应用 在延时曝气系统中 接种生物增强剂三周后就成功地消除了污泥膨胀 而在氧化沟中四周后污泥膨胀消除 加快系统启动 增强耐负荷冲击能力和系统稳定性 Belia和Smith发现 向传统活性污泥中加入10 的降解磷的纯菌 那么整个系统成为一个高效脱磷系统 脱磷率达90 以上 只需14天 而只用活性污泥驯化达到此脱磷率需要58天时间 Edgehill等人用降解五氯酚 PCP 的纯菌来增强活性污泥系统 当加入10 相对于固有菌量 的纯菌 就会使PCP废水驯化期大大缩短 当PCP负荷由40mgl 1升高到120mgl 1时 出水则达到60mgl 1 单纯的活性污泥系统恢复正常需48h 但加入5 或7 的纯菌 相对于固有菌量 系统在18h内就使PCP出水达到15mgl 1 表现出良好的抗负荷冲击的能力 生物强化技术在水污染治理中应用失败及原因探索 一 废水成分复杂 用生物增强技术本身难以达到治理目的和要求 废水中微生物可利用其生长的底质的浓度太低 不足以维持其生长 投入的菌不如系统中固有菌的竞争能力强 不能强有力地摄取有限的营养物质 系统中原生动物等捕食性动物将优势菌捕食 生物强化技术在水污染治理中应用失败及原因探索 二 优势菌优先利用其他易于利用的底质 对目标降解物作用缓慢 废水中存在抑制性基质 抑制菌的生长和代谢 投入菌的量不足以使其在菌群中占优势 或由于控制不当菌体流失 不利的环境因素如废水的pH 温度 DO的影响 五 现代生物技术在生物强化研究中的应用 PCRFISHPCR RFLPPCR DGGEPCR RISA 传统的微生物定量化及群落分析方法 活皿计数法 CFU 生境可培养细胞百分比 海水0 001 0 1淡水0 25中营养型湖泊0 1 1活性污泥1 15沉积物0 25土壤0 3最大可能数法 MPN 平板培养法缺点 环境中可通过平板培养的微生物不超过百分之十几 污水和底泥中有些微生物群落不能够用培养的方法分析 培养所需时间较长 不能够提供生物反应器实时 有意义信息 难以获得微生物群落结构和空间分布的有关信息 PCR Polymerasechainreaction 基本步骤 变性 采用高温使DNA变性 形成单链DNA 退火 降低温度 引物在与单链DNA互补的邻位结合 形成复合物 延伸 将温度调至DNA聚合酶的最适宜温度 该以dNTP为原料 根据碱基互补的原则 按照模板DNA序列组成 从引物的3 端开始逐一将dNTP聚合上去 合成一条新的DNA双链 PCRAmplifyingDNA PCR技术在环境检测中的应用主要有 应用PCR技术研究某一特定环境中微生物区系的组成 进而了解其菌群动态 应用PCR技术监测环境中特定种群 如致病菌 工程菌等 的动态 应用PCR技术检测样品中的特定微生物种群 其基本步骤包括 从环境样品中提取核酸 DNA或RNA 以提取的DNA或RNA样品为模板进行扩增 对PCR反应产物进行检测与分析 荧光原位杂交技术 fluorescenseinsituhybridization FISH FISH是目前单个细胞水平上分析微生物群落结构的常用的分子生态学方法 是用标记过的DNA寡聚物去探测未损伤的微生物群落 原理 微生物细胞在载玻片上脱水后 与带有荧光染料标记的寡核糖探针在一定温度下混合 具有与探针碱基对完全互补序列的RNA随即与探针发生杂交 从而使该菌体在荧光显微镜下发出荧光 细胞在测定过程中不被破坏 形状不改变 能够真实反映在自然微环境下的情况及分布特异性强能定量化操作简单迅速 特点 将染色体 细胞或组织固定 标记探针 将探针与固定材料上的靶序列 DNA或RNA 进行杂交 检测杂交的结果 FISH基本步骤 适用于所用菌种的EUB338 Alf968适用于Proteobacteria的 亚纲 BET42适用于Proteobacteria的 亚纲 GAM42适用于Proteobacteria的 亚纲 CF319a适用于Cytophaga Flavobacterium ACA适用于Acinetobacter Nso190适用于Proteobacteria的 亚纲的氨氧化菌 NEU23a适用于Nitrosomonas属的耐盐及嗜盐菌 NIT3可用于Nitrobacter S S Mae 1414 a A 18适用于M erodenitrificans 一些常用的分子探针 微生物群落解析 应用1 用FISH法解析UASB颗粒污泥的微生物群落结构 图中同时采用了两个探针进行FISH检测 探针EUB338能与绝大多数细菌杂交 发出绿色荧光 探针ARC915能与古细菌杂交 发出红色荧光 A 低放大倍数 B 高放大倍数 污泥膨胀中丝状菌的鉴别 比例和分布 用FISH法检测某污水处理厂活性污泥中的丝状菌 A 相差显微镜下的污泥絮体 B 同一显微镜视野下同时用探针G2M 绿色 和G123 红色 进行FISH法检测 黄色表示同时与两个探针结合 为丝状菌Eikelboomtype021NII 红色则为丝状菌Thiothrix 应用2 污泥中聚磷菌的鉴别 应用3 用FISH法和DAPI染色同时检测活性污泥中的聚磷菌 图中 蓝色作为DAPI染色的结果 代表在细胞体内聚集了大量聚合磷的细菌 而红色是FISH法的结果 代表与标记荧光染料的探针MP2发生杂交的菌体细胞 即M phosphovorus 粉色是红色和蓝色的混合色 代表那些在细胞体内聚集了大量聚合磷的M Phosphovorus细菌 生物标记技术 Biomarker 原理 生物标记 或标记基因 是一段DNA序列 将其引入微生物体内 使其具备一定的基因型或表现型 并能够在环境中检测出来 PCR RFLP技术 RFLP restrictionfragmentlengthpolymorhpisms 即限制性片断长度多态性 是研究生物进化和分化的有力工具 它依据的是一个生物体的基因组的独特特征和能被某些限制性酶识别的特殊碱基序列和特有的分布方式 对生物种类的鉴别具有高度的专一性 可作为一种高灵敏度检测污染环境下微生物种群变化的方法 PCR DGGE技术 DGGE density gradientgelelectrophoresis 密