厌氧反硝化降解苯的新认识:厌氧氨氧化协同反硝化

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苯是苯系物(benzene,toluene,ethybenzene,xylene,BTEX)中水溶性最高、毒性最大、最难降解的物质,控制和削减苯污染对于保护环境具有重要的意义。从热力学角度分析,相比硫酸盐还原与甲烷化,硝酸盐还原条件下苯的降解更具优势。虽然厌氧条件下反硝化苯降解已研究多年,但是反应过程慢、功能微生物富集困难,相关反应机理尚不完全清楚。本论文是从厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,Anammox)协同反硝化降解苯体系、苯及其中间产物对厌氧氨氧化菌活性的影响、外加中间产物苯甲酸盐对厌氧氨氧化协同反硝化降解苯体系的影响、探索新型好氧反硝化苯降解过程四方面进行研究,为厌氧条件下苯污染的生物修复提供理论依据和指导。(1)反硝化降解苯的反应器中接种厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation bacteria,AnAOB),经驯化构建反硝化和厌氧氨氧化的协同营养体系,探索厌氧氨氧化对反硝化降解苯的影响。结果表明协同营养体系中苯的平均降解速率和一级最大动力学常数分别是常规反硝化体系中的2.34和1.41倍,证明外部投加厌氧氨氧化菌提高了反硝化降解苯的速率。在Anammox协同反硝化降解苯的反应器中外加10mgN·L-1NO2-后,苯的平均降解速率降低了35%,但是当NO2-被消耗尽时,苯的降解速率得到恢复,意味着厌氧氨氧化菌的作用可能是解除NO2-的毒性。细菌群落结构分析结果表明,反硝化降解苯的主要功能菌群以隶属于Rhodocydaceae科的Azoarcus属为主,在常规反硝化降解苯污泥中未检测到厌氧氨氧化菌,Anammox协同反硝化降解苯的污泥中存在隶属于Candidatus Brocadiaceae科的AnAOB。(2)通过苯、甲苯、苯酚、苯甲酸盐单独和联合存在的短期批实验,研究其对厌氧氨氧化菌活性的影响。结果表明苯、甲苯、苯酚单独存在时对厌氧氨氧化菌均有较强的抑制作用,其抑制过程符合扩展的非竞争性抑制动力学模型,模拟得到三者的半抑制浓度及其95%置信区间分别是9.21(7.80-10.62),35.28(30.16-40.40),124.55(113.51-135.59)mg·L-1,因此,三者的抑制能力由高到低依次是苯、甲苯、苯酚;而苯甲酸钠对厌氧氨氧化菌的抑制作用并不显著,模拟得到其半抑制浓度及其95%置信区间是3833.12(3481.57-4184.67)mg·L-1。苯和甲苯、苯和苯酚、苯和苯甲酸共存时对厌氧氨氧化菌的联合抑制均属相加作用;苯、甲苯、苯酚三者共存时属于部分相加作用,这可能是由苯、甲苯、苯酚是化学结构相似的芳香族化合物、抑制作用机理类似所决定;苯、甲苯、苯酚、苯甲酸共存时属于协同作用,其作用机理有待进一步研究。(3)在厌氧氨氧化协同反硝化降解苯反应器中添加苯甲酸钠后,苯降解平均速率下降了13%,与此同时反应器中NO3-和NH4+的平均去除速率分别增加至原来的2倍和1.56倍,且其中厌氧氨氧化菌活性也增加了1倍。在反应器的长期运行中,Azoarcus属、Dechloromonas属、Peptococcaceae科及AnAOB基因拷贝数与总细菌的基因拷贝数的比值均增加,微生物多样性有所下降。因此,添加苯甲酸钠有利于促进厌氧氨氧化菌的增殖,从而改善厌氧氨氧化协同反硝化降解苯体系的性能。(4)反硝化苯降解反应器(苯标记和未标记)运行稳定后,利用一氧化氮歧化酶(Nod)特异性引物扩增可能的Nod基因,经克隆、测序后对一氧化氮歧化酶的多样性进行分析。基于氨基酸序列构建系统发育树,聚类分析得出所测得的克隆子序列隶属于Unkwon Nor-related簇,为揭示潜在的新型好氧反硝化苯降解机理提供了分子生物学证据。
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