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复合菌剂及其高效菌株降解BTX的性能和机理研究

作　者: 杨卫兵
导　师: 陈建孟；张丽丽
学　校: 浙江工业大学
专　业: 环境工程
关键词: 苯系物复合微生物菌剂染料分枝杆菌生物降解动力学甲苯双加氧酶基因
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

前期工作中,将具备高效降解苯系物能力的混合菌种在特定载体上实施高密度发酵,制成复合微生物菌剂（CMA）。本研究分别以复合微生物菌剂和传统活性污泥启动生物滴滤塔（BTF）净化苯、甲苯和邻二甲苯（BTX）,比较两者的挂膜启动速度及对BTX降解性能,着重研究菌剂启动反应器的运行性能,从而证明应用该类固体CMA启动BTF的可行性和优势。结果表明:菌剂启动的反应器（MA-BTF）和活性污泥启动的反应器（AS-BTF）分别在第7天和24天完成挂膜,表明MA-BTF可缩短传统BTF的启动周期;且MA-BTF内填料表面微生物生长速度快于活性污泥启动的反应器。进气浓度、空床停留时间（EBRT）、进气负荷、营养液、传质等是BTF降解BTX的主要影响因子,当进气负荷小于60g/m³·h时,MA-BTF对BTX化合物均可实现高效净化,EBRT 90s,60s,45s,30s对应的最大去除负荷分别为55.3,73.6,81.0,97.7g/m³·h,表明用复合微生物菌剂启动生物滴滤塔能实现对BTX混合废气的高效降解。MA-BTF体系中最佳pH值为6⁷;体系对BTX的矿化率为77.5⁷8.4%,表明减少的BTX主要是通过生物降解;上下层CO₂的生成量所占的百分比随去除负荷的增大而增大;整个运行过程中滴滤塔内压降没有发生明显变化,表明该体系可长期稳定运行。体系降解BTX的过程遵循Michaelis-Menten动力学模型,对苯、甲苯和邻二甲苯的单位体积最大降解速率r_max分别为140.4,115.2和64.8g/m³·h,气相饱和常数Ks分别为1.021,0.968,0.601g/m³。通过初筛和复筛,从CMA中选育到BTEX高效降解菌株byf-4。前期鉴定结果已确定该菌株为染料分枝杆菌Mycobacterium cosmeticum。经检索相关文献,未发现该菌属降解苯系化合物的相关报道。该菌株可分别降解4种苯系化合物（BTEX）,其对苯和甲苯的降解浓度和速率均高于乙苯和邻二甲苯,菌株在不同底物下的生长速率也存在明显差别;其对4种苯系物的降解优先顺序为苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯。在混合体系中,底物间存在相互抑制作用,菌株降解速率较单一体系中慢,特别是邻二甲苯的降解受到明显抑制;BTE在混合体系中完全降解,碳的再生率达到90.5%以上,表明BTEX主要被矿化为CO₂和转化为新的生物体;但是,当体系中含有邻二甲苯时,碳的再生率只有78.6⁸1.2%,表明BTE会抑制o-X的降解和矿化。菌株降解BTEX的过程遵循Haldane动力学模型,对苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯的最大比降解速率分别为0.518、0.491、0.443和0.422 h^-1,菌株最大比生长速率分别为0.352、0.278、0.172和0.136h^-1。菌株降解苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯的衰亡系数分别为:0.003、0.0036、0.0042和0.0063h^-1;产率系数分别为:0.6626、0.5801、0.5415和0.5412mg/mg。菌株在不同底物下的产率系数与菌株的比生长速率结果一致。该菌株对BTEX的降解能力要高于文献报道的菌株,具有重要的研究意义和良好的应用前景。对菌株byf-4中的降解酶基因进行研究,通过设计简并引物做PCR扩增获得一段长351bp的基因片段,经序列同源性分析可能为甲苯双加氧酶（todC1）基因;通过巢式PCR技术和序列拼接获得一段长1609bp的基因序列,与菌株Sphingomonas sp.甲苯双加氧酶（todC1）基因的同源性为90%,从而初步确定已从菌株byf-4中克隆获得甲苯双加氧酶（todC1）基因;根据所获得的酶基因序列设计反转录PCR特异性引物,通过反转录PCR进一步验证,结果表明该基因在葡萄糖和苯系物为底物的情况下都能表达,表明其不是苯系物诱导酶;同时进一步验证了获得的基因为甲苯双加氧酶基因,表明甲苯双加氧酶是byf-4降解BTEX的一个关键酶。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-15
符号说明  15-16
第一章绪论  16-33
  1.1 BTX的危害  16-20
    1.1.1 BTX的性质  16-17
    1.1.2 BTX的污染现状  17-18
    1.1.3 BTX对人类和生态环境的危害  18-20
  1.2 BTX的污染治理技术研究进展  20-25
    1.2.1 物理法  20-21
    1.2.2 化学法  21-22
    1.2.3 生物降解技术  22-25
  1.3 复合微生物菌剂的研究进展  25-27
  1.4 PCR及相关技术在环境工程生物处理研究中的应用  27-30
    1.4.1 反转录PCR技术  27-28
    1.4.2 巢式PCR技术  28
    1.4.3 BTX的降解途径  28-30
  1.5 课题研究意义和内容  30-33
    1.5.1 课题研究意义  30-31
    1.5.2 课题研究内容  31-32
    1.5.3 课题创新之处  32
    1.5.4 课题来源  32-33
第二章材料与分析方法  33-45
  2.1 实验材料  33-37
    2.1.1 实验药品  33-35
    2.1.2 实验仪器  35
    2.1.3 活性污泥  35
    2.1.4 菌剂形态及组成  35-36
    2.1.5 培养基及循环营养液组成  36
    2.1.6 实验装置  36-37
  2.2 滴滤塔参数与填料特性  37-38
    2.2.1 生物滴滤塔的基本参数  37-38
    2.2.2 填料的特性  38
  2.3 分析监测项目与方法  38-45
    2.3.1 工艺参数的测定  38-39
    2.3.2 复合微生物菌剂的制备方法  39-40
    2.3.3 微生物相观察  40
    2.3.4 菌株降解不同浓度BTX的序批实验  40
    2.3.5 菌株byf-4 甲苯双加氧酶基因(tod C1)序列扩增、测定及同源性分析  40-45
第三章复合菌剂启动生物滴滤塔的性能研究  45-65
  3.1 菌剂启动反应器的运行性能  46-49
    3.1.1 启动阶段去除率  46-47
    3.1.2 启动阶段生物相  47-49
  3.2 稳定运行阶段  49-63
    3.2.1 停留时间的影响  49-53
    3.2.2 进气负荷的影响  53-56
    3.2.3 进气浓度的影响  56-57
    3.2.4 pH的影响  57
    3.2.5 CO_2 生成量分析  57-61
    3.2.6 压降  61-62
    3.2.7 动力学分析  62-63
  3.3 本章小结  63-65
第四章复合菌剂中高效菌株byf-4 降解BTX的性能研究  65-74
  4.1 菌株byf-4 对苯系物降解特性  65-71
    4.1.1 byf-4 对单一苯系物的降解特性  65-67
    4.1.2 菌株对混合苯系物的降解模式  67-71
  4.2 菌株byf-4 降解苯系物的碳平衡分析  71-73
  4.3 本章小结  73-74
第五章菌株byf-4 降解苯系物的动力学研究  74-83
  5.1 菌株byf-4 降解单一苯系物的动力学  74-78
  5.2 菌株byf-4 的衰亡系数和产率系数  78-82
    5.2.1 衰亡系数  78-80
    5.2.2 产率系数  80-82
  5.3 本章小结  82-83
第六章 Mycobacterium byf-4 甲苯双加氧酶基因的克隆  83-91
  6.1 tod C1 部分基因片段的克隆  83-85
  6.2 tod C1 全长基因片段克隆  85-88
  6.3 tod C1 基因的表达  88-90
  6.4 本章小结  90-91
第七章结论和建议  91-95
  7.1 结论  91-94
  7.2 建议  94-95
参考文献  95-109
致谢  109-110
攻读学位期间发表的学术论文目录  110

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