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关键词： 畜禽养殖   恶臭气体   生物反应器   兼性厌氧菌   复合微生物菌剂  

摘要： 随着养殖业规模化、集约化的程度不断加深,养殖过程中排放的污染物数量也越来越多,经济发展与环境保护之间的矛盾日益凸显。氨气（NH3）作为养殖场恶臭气体的主要成分,不仅会对周边环境产生污染,也会对人畜的健康造成威胁。生物除臭作为1种绿色高效的除臭方法,已在养殖业广泛应用,随着智能养殖技术的发展,智能喂料、智能监测等技术是弥补劳动力短缺、提高生产效率的关键。在恶臭气体处理方面,其智慧化预测可以为畜禽养殖生产提供决策支持,从而减少对生态环境造成的风险。但由于生物反应器内厌氧区域的存在,限制了部分微生物的生长代谢,影响恶臭污染物的去除。本研究旨在筛选出对环境适应力较强的兼性厌氧菌,制备成兼性厌氧复合微生物菌剂,投入本实验室自行研发的一体化除臭设备中,探究其除臭效果。主要研究内容和结果如下: （1）兼性厌氧菌的筛选 本研究在畜禽粪污中成功分离出3株有氨氮降解能力的兼性厌氧菌N6、N7和N8,在实验室水平下培养48 h后,对氨氮的去除率分别达到了40.69%、45.53%和40.05%。 （2）功能菌株的鉴定 通过对其进行分子生物学鉴定及生理生化鉴定,可认定菌株N6为克雷伯氏菌（Klebsiella）,菌株N7为阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）,菌株N8为阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）。 （3）复合微生物菌剂的制备 经菌株拮抗试验证明3株候选菌株之间无拮抗作用后,设计3因素3水平正交实验,分别检测对应的氨氮去除率,对复合菌剂的最佳比例进行验证,最终得出该复合菌剂在N6:N7:N8=1:1:3比例条件下的氨氮去除率为最优水平。 （4）复合微生物菌剂在除臭设备中的应用 本研究首先对实验室先前研发的一体化除臭设备进行完善和优化,使其具备可同时监测进出口污染物浓度及臭气强度的功能,并且实现可在手机端和电脑端实时监测和调节设备运行状态,便于远程操控。 将复合菌剂接种至除臭设备内,统计试验期间的平均氨气去除率,得出接种了复合菌剂的试验组有着明显优于水洗处理组的氨气去除效率,而在将水洗和菌液处理方式相结合后,氨气去除效率得到了进一步提升。

关键词： 烟碱   烟叶   酿酒酵母   生物反应器   生物合成  

摘要： 烟碱(即尼古丁)是烟草中最主要的生物碱,在烟草的生长和发育过程中起重要作用,在烟草制品、农业、医药等方面也有广泛应用价值。烟碱主要在烟草的根部合成,后经木质部运输至地上部分。N-甲基转移酶(NtPMT)、N-甲基腐胺氧化酶(NtMPO)、PIP家族A622酶(NtA622)、小檗碱桥接酶(NtBBL)等已知烟碱合成酶的基因大部分都具有根特异表达特性。烟碱分子由吡咯烷环和吡啶环构成,其吡咯烷环和吡啶环的酶促合成途径已经明确,但两环缩合形成烟碱的作用机制尚不清楚。由于烟碱合成酶不仅存在根特异基因表达特性,还存在根特异翻译修饰机制,研究烟碱合成过程的技术体系目前仍不成熟。本研究将探究烟碱合成关键酶的异位表达方法,并采用合成生物学方法,构建基于烟草叶片及酿酒酵母的烟碱合成研究体系,为烟碱生物合成途径的深入解析提供技术支撑。主要研究结果如下: 1.通过基因序列突变实现了NtPMT1a蛋白的烟草叶片表达。克隆了NtPMT1a基因序列,并进行两种突变体的改造,对全长序列的第一个外显子片段进行删除或优化,并借助农杆菌转化法,获得NtPMT1(表达全长序列)、NtPMT1-△N(表达N端删除序列)、NtPMT1-mN(表达N端优化序列)转基因植株。植株蛋白鉴定结果表明,两种突变体植株叶片中的NtPMT1a基因的蛋白翻译水平均较NtPMT1植株高,NtPMT1-△N植株的蛋白表达水平最高。植株烟碱含量结果表明,三个株系叶片的烟碱含量与对照TN90植株相比,均无显著性增高,这说明仅过表达NtPMT1a基因无法实现烟碱的生物合成。 2.构建了NtPMT1a和NtMPO1的共表达烟草植株。克隆了NtMPO1基因序列,并借助农杆菌转化法,获得NtMPO1转基因植株。待NtMPO1转基因植株现蕾后,通过与NtPMT1a过表达植株杂交,完成了NtPMT1a和NtMPO1共表达材料的创制。NtMPO1过表达植株和杂交植株的叶片烟碱含量与对照植株TN90相比均无显著性增加,这说明NtPMT1a与NtMPO1两限制基因的异位共表达也并不能构成烟碱合成完整通路。 3.构建了烟碱合成的烟茄嫁接研究体系,并分析了已知烟碱合成酶的催化作用。对T1代NtPMT1a、NtMPO1转基因植株及F1代NtPMT1a与NtMPO1的杂交植株进行烟茄嫁接,待植株长出新叶后进行烟碱含量的测定,实验结果表明,烟茄嫁接植株的烟碱含量较烟草植株降低约100倍。另外,构建NtA622、NtBBLa基因的植物过表达载体,在嫁接植株新生叶片处瞬时表达,30 d后测定烟叶烟碱含量,结果表明浸染后的烟叶烟碱含量较未浸染叶片增加范围在实验误差内,这说明表达已知的烟碱合成基因无法完成烟碱的烟草异位合成。 4.构建了烟碱合成酶的酵母表达体系。以酿酒酵母AH109、BY4742为实验菌株,优化NtPMT1a、NtMPO1、NtA622、NtBBLa基因序列,使其具有酿酒酵母偏好性。构建酵母表达载体,共同转入酿酒菌株中,进行烟碱含量的测定,结果表明菌株内烟碱含量极低,这说明表达已知的烟碱合成基因无法完成烟碱的酵母异源合成。 5.通过代谢通路修饰构建了烟碱合成的酵母研究体系,并分析了已知烟碱合成酶的催化作用。以酿酒酵母BY4742为实验菌株,通过基因编辑技术整合内源基因SPE1、BNA6,外源基因NtPMT1a和NtMPO1至菌株BY4742基因组中,强化菌株内吡咯烷环和吡啶环的合成通路,得到工程菌株BY-OP,随后将NtA622、NtBBLa高拷贝质粒转入工程菌株BY-OP中,对菌液进行烟碱含量的测定,结果表明仍然无法实现烟碱的合成,这进一步证实表达已知的烟碱合成基因无法完成烟碱的酵母异源合成。 在本实验中,实现了NtPMT1a、NtMPO1、NtA622、NtBBL在烟叶及酵母中的异位/异源表达,成功构建了两个烟碱合成研究体系,为揭示烟碱合成的作用机制提供了关键基础;同时,通过对两个研究体系的烟碱合成功能分析,证明目前已知的烟碱合成酶无法完成烟碱的生物合成,推测还有其他生物酶参与了烟碱的合成过程。

关键词： 核壳结构   选择性吸附   乳化油   二氧化硅空心球   生物反应器  

摘要： 石油的开采和使用给我们带来了财富,但也产生了一系列的隐患。在采油和加工过程中会发生石油泄漏并产生大量含油废水。石油泄漏造成了不可逆转的环境破坏和生态破坏效应。因此,如何高效、经济、绿色环保的处理含油废水,对社会经济的可持续发展起到重要作用。目前处理含油废水的材料层出不穷,其中固定化微生物技术因其绿色、环保、高效备受关注,但主要集中在处理分散油方面,处理乳化油方面的研究较少。本论文针对提高微生物的存活性以及在环境中的适用性,对乳化油的分离等关键技术,采用低成本、环保材料制备出核壳结构负载微生物的生物反应器,并经过一系列的形貌调控,调节核壳结构生物反应器的大小,并可以将制备出的核壳结构生物反应器进行掺杂在膜、气凝胶等材料中进行油水分离和生物降解性能研究,大大提高其实用性,并揭示吸附机理和生物降解机理。主要研究内容如下: （1）采用农业废弃物樟树叶作为原材料,核的部分通过海藻酸钠制备出网状结构水凝胶,并在其中加入混合嗜油菌,冷冻干燥形成气凝胶:采用改性埃洛石和磁性Fe3O4纳米颗粒,作为外壳部分制备出生物反应器Fe3O4/MHNTs-CNF@aerogel,赋予其选择性吸附和可回收能力。研究表明,整个核壳结构不仅具有优异的油水分离性能,而且具有良好的微生物降解性能。将其应用于含5%柴油的含油废水中进行生物降解试验,10 d后Fe3O4/MHNTs-CNF@aerogel对柴油的降解去除效率可达82.4%。与游离微生物相比,其降解去除效率提高了20%,并且经过3个降解去除循环后仍具有良好的降解能力,降解去除率达75%以上。并且核壳结构对微生物起到一定的保护,防止微生物泄漏对环境造成二次污染。 （2）采用（W/O/W）三元微乳液法制备“单孔”二氧化硅空心球（SHMs）。通过精确调节聚合物（PAAS）和二氧化硅源Na2Si O3的含量等各种条件,定向控制SHMs的大小、孔的大小、孔的数量等,然后装载微生物,形成20μm的生物反应器。其次,在以上微生物反应器的外壳上喷洒一层硅烷水解产生的二氧化硅纳米颗粒,将内部的“单孔”SHMs包裹起来,形成M/Microbe@SHMs核壳结构生物反应器,并赋予其超润湿性。这种封闭的核壳结构可以有效地防止微生物泄漏造成二次污染,保护负载的微生物抵御外界恶劣环境条件,从而更加有效地保护了微生物的活性。研究表明,制备的材料对分散油具有优异的油水分离能力,对乳化油具有高效的破乳化能力。0.1 g本品可在5分钟内破乳10 m L乳化油,分离效果显著。M/Microbe@SHMs不仅能实现油水分离,还能吸附自身重量2-3倍的油液。本章对其吸附机理进行了深入的研究,吸附过程符合准二次动力学和Freundlich动力学,并根据热力学证明吸附是自发的。该生物反应器在240 h内对5%的柴油达到80%以上的降解率,GC-MS测试证实了柴油的降解机理。 （3）为了使上述的“单孔”二氧化硅空心球生物反应器具有工程化应用前景,将负载微生物的“单孔”二氧化硅空心球生物反应器掺杂在用绿色溶剂制备的PVDF铸膜液中,可经过形貌调控制备出超疏水膜STEP/PVDF-SHMs。“单孔”二氧化硅空心球生物反应器对微生物起到保护作用可适用于略有毒性的基底材料中,极大的开拓了负载微生物在材料选择上面的局限性。研究表明,添加6 wt%的高粘度羟乙基纤维素HEC和0.1 g SHMs制备的STEP/PVDF-SHMs具有优异的弹性和稳定的机械性能。在真空泵的作用下,可以连续分离重质有机溶剂和轻质油。同时研究了STEP/PVDF-SHMs的油水分离性能,该膜对正己烷循环10次仍具有较高的膜通量,达到1440 L m-2h-1。并且该膜具有一定的破乳能力,对轻质油的循环分离10次效率仍可达98%以上。该材料在240 h内可对5%的柴油达到90%以上的降解率。TEP/PVDF-SHMs在处理海上溢油事件中,可以进行连续的油水分离并在膜的表面实现原位降解,不会堵塞膜的孔隙,为实际应用提供新的材料和技术。

关键词： 餐厨垃圾   厌氧膜生物反应器   膜污染   生物炭   Fluent模拟  

摘要： 在“碳达峰、碳中和”能源战略和加强生物沼气建设等国家政策的推动下,厌氧发酵目前已成为餐厨垃圾资源化利用的主流技术。然而,传统的完全混合式发酵系统(CSTR)在低水力停留时间(HRT)下易导致功能微生物的流失,进而导致出水水质差且能源回收效率低。厌氧膜生物反应器(An MBR)因出水水质良好以及能源回收效率高而备受瞩目,但一直以来膜污染问题都是制约其应用的关键因素。与采取增大曝气强度缓解膜污染的方法相比,生物炭制备简单、成本较低,并可通过机械冲刷减轻膜表面污染物的附着。但目前的研究主要聚焦于生物炭在生物过程、吸附EPS作用、对微生物群落影响、膜阻力变化等方面,缺少生物炭对膜污染的物理作用研究。因此本研究构建了生物炭耦合内置式厌氧膜生物反应器,探究不同生物炭投加量下跨膜压差与膜通量的变化,Fluent模拟明晰了气泡与生物炭在膜表面的联合冲刷作用,结合膜污染层可视化解析揭示了生物炭的冲刷作用机理,为An MBR运行的优化提供了有力的方案。主要结论如下: (1)实验设置5 g/L、10 g/L、15 g/L、20 g/L四种不同的生物炭投加量,随着生物炭投加量的增加,甲烷产率显著提升,最高可达2.70±0.14 L/L/d,相较对照组增长了约5.59%。加炭组甲烷含量67.06±2.15%,相较对照组高6.46%。虽然两组反应器在对COD等有机污染物的去除率均在99%左右,并没有明显差异。随着生物炭投加量的提高,截留率也逐渐增加,膜组件对多糖和蛋白的截留率分别从69.2±6.1%增加到81.3±5.3%和57.1±9.6%增加到79.8±2.4%,分别增加了12.1%和22.7%,这可能是生物炭的吸附作用减少了游离的多糖蛋白类物质,最终体现在截留率的提高。 (2)An MBR长期运行的实验结果表明,生物炭可以有效缓解膜污染的增长速率,两组运行23天的TMP分别为16.13±0.13%与32.01±1.09%。生物炭对膜污染的去除作用主要体现在其慢速增长期,加炭组的TMP增长速率仅为对照组的30.8%,这可以延长膜组件寿命。膜清洗实验表明,生物炭有效缓解了泥饼层的形成,降低泥饼层阻力27.24±4.71%,并使泥饼层的厚度减少了43.14±1.51%。但生物炭对降低泥饼层厚度的机理仍需进一步探究。 (3)构建Fluent模型:先根据反应器1:1建模,再设置物理模型参数,最后用离散相表示生物碳颗粒。基于Fluent模拟探究了不同生物炭投加量对An MBR内的流体运动状态的影响。研究结果表明,生物炭的投加显著提高了膜组件表面的动态压力。当生物炭投加量为5g/L、10g/L、15g/L、20 g/L时,与对照组相比其膜表面最大点动压分别提高了117.18%、148.29%、115.62%、96.80%,平均动压相较于对照组分别提高了26.47%、82.02%、83.87%、86.33%。模拟结果表示,动态压力的大小与气泡体积成正比,因此生物炭投加对动态压力的增强作用可能是通过促进气泡之间碰撞形成大气泡而引起的。由于膜组件之间的挡板距离固定,当气泡体积过大时,气泡将无法对膜组件表面产生有效冲刷,因此膜表面动态压力在生物炭投加量过大时会呈下降趋势。 (4)投加生物炭使泥饼层的厚度减少了43.14±1.51%,这说明生物炭增强了对膜污染层的去除作用,其中投加10 g/L与20 g/L生物炭分别将膜阻力降低了22.59%和31.90%。结合CLSM膜污染层可视化分析以及膜阻力分布,发现生物炭不仅阻碍了多糖网状结构的形成,而且减少了泥饼层的积累。进一步结合Fluent模拟分析,结果表明增加生物炭的投加量有助于提高膜表面的动态压力,促进膜污染的去除,这一结论与膜污染层的分析结果一致。

关键词： 藻菌共生   膜光生物反应器   养猪废水   污泥停留时间   藻菌接种比  

摘要： 生猪养殖产业是江西省的重点产业,在不断发展创造经济效益的同时也伴随着巨大的环境挑战,尤其是养猪废水的处理处置问题。由于养猪废水具有高氮磷、携带大量致病菌等特点,是农业源污染的重要来源之一。在养猪废水的处理工艺中,传统生化处理如活性污泥法存在能耗大、脱氮除磷效果差、占地面积大等问题。藻菌共生膜光生物反应器（microalgae-bacteria membrane photobioreactor,MB-MPBR）结合藻菌共生体系（microalgae bacteria symbiotic system,MBSS）与膜生物反应器（membrane bioreactor,MBR）工艺的特点与优势,具有碳氮磷高效同步去除、系统稳定性强、资源回收率高等优势。然而,该工艺系统处理废水效果与系统操作参数和运行条件密切相关,如水力停留时间（hydraulic retent ion time,HRT）、污泥停留时间（sludge retention time,SRT）、藻菌接种比等。 为探究SRT和藻菌接种比对MB-MPBR技术处理养猪废水效果的影响,本文设计三组不同的SRT和藻菌接种比MB-MPBR反应器系统。其中A、B、C三组为SRT变量组,取值分别为10 d、15 d、20 d,D、E、F组为藻菌接种比变量组,取值分别为1:1、1:3、1:10,得到以下结论: （1）适中的SRT和较低藻菌接种比有利于藻菌生物量的积累。从藻菌生物量上看,A、B、C三组藻菌生物量整体呈现B>C>A的,说明SRT不宜过高或过低,SRT=15 d组藻菌生物量最大,而D、E、F三组的藻菌生物量最大值分别为7.4 g·L-1,6.3 g·L-1和5.6 g·L-1,分别是是投加量的18.5倍、7.8倍和4.7倍,说明藻菌生物量随着藻菌接种比的增大有较明显的降低趋势。 （2）SRT和藻菌接种比对有机质去除影响不大,适中的SRT和较低藻菌接种比有利于氮的去除。六组反应器COD去除率都高达94%以上,且处理效率较为稳定,此外,A、B、C三组的氨氮去除率平均为51.6%,54.4%和53.6%;呈现B>C>A的趋势,可见适中的SRT有利氨氮去除。D、E、F三组氨氮去除率均值为45.3%±17.8%,总氮去除率均值为52.7±21.5%,硝态氮去除率均值为46.7±19.6%,各组相差不大。但从图像上看D组比E、F组更平滑,说明较低藻菌接种比例有利于藻菌共生系统稳定性。 （3）较长的SRT不利于磷的吸收,较低的藻菌接种比有利于磷的去除。对于磷的去除,A、B、C三组磷酸盐去除率总体呈现A>B>C的趋势,三组磷酸盐去除率分别为51.3±12.3%、53.7±8.32%、50.7±9.6%,总磷去除上稍低于磷酸盐,磷整体去除率上E>D>F,说明低藻菌接种比对提高磷元素去除效率起到积极作用。 综上,MB-MPBR反应器系统中不同SRT的A、B、C三组对C、N、P的去除率方面,B组的氮去除效果最好,A组的磷去除效果最好且生物量积累最多;不同藻菌接种比的D、E、F三组对C、N、P的去除率方面,D组的氮去除效果最好且生物量积累最多,E的磷去除效果相对最好。综合来看,SRT=15 d,藻菌接种比为1:1为相对最优组合参数。

关键词： 硒酸盐   亚硒酸盐   厌氧膜生物反应器   厌氧动态膜生物反应器   硒单质  

摘要： 含硒废水中的硒主要以硒酸盐(Se O42-)和亚硒酸盐(Se O32-)两种形态存在,因其极强的毒性及生物富集性,若直接释放至自然水体将对人类和环境和产生极大的危害。在目前含硒废水的处理工艺中,生物法因其低耗、高效、产物回收潜力等特性备受关注。 本研究采用厌氧平板膜生物反应器（AnMBR）和厌氧动态膜生物反应器（AnDMBR）两种体系,以模拟工业或农业含硒废水为进水,分别对含Se O32-及含Se O42-废水进行了处理,在不同条件下考察了AnMBR和AnDMBR对目标污染物的去除效率和膜污染的变化特征,探究了微生物还原产物硒纳米颗粒（Se NPs）的特性并厘清了微生物群落结构和演替规律。主要研究成果如下: （1）AnMBR处理含硒废水研究 采用搭载PVDF平板膜的AnMBR,在进水Se O32-为0.2 m M、HRT为24 h条件下,探索了共存污染物硫酸盐(SO42-)和盐度（以Na Cl为代表）对含硒废水去除的影响。长期运行结果表明,在高浓度SO42-（804 mg/L）和高盐度（10 g Na Cl/L）条件下,反应器抗冲击性能良好,Se O32-去除效率始终接近100%,由于膜表面微孔和附着滤饼层的拦截作用,系统出水中始终检测不到Se NPs。当进水盐度由0 mg/L增加至10 mg/L时,由于滤饼层中蛋白质与多糖的比值降低以及Na Cl晶体的形成,从而加速了膜污染。混合污泥中硒颗粒为球状或棒状,呈六方体结构并被有机层包裹。微生物分析结果表明,在进水不额外添加Na Cl时,Se O32-的还原主要由硒还原菌Acinetobacter主导;随着Na Cl浓度的增加Acinetobacter的丰度逐渐降,在进水Na Cl较高（10 mg/L）的情况下,Se O32-的还原由非生物反应,即Desulfomicrobium产生的S2-与Se O32-发生的氧化还原反应主导,主要产物为硒单质及硫单质。 （2）AnDMBR处理含硒废水研究 以尼龙网为载体搭建AnDMBR,探究了不同尼龙网孔径（25、50、75μm）对含硒废水处理的影响,确定最佳条件并在该条件下进行了进水Se O42-负荷实验,验证了不同Se O42-负荷对反应器处理效果的影响。尼龙网孔径（25、50μm）对Se O42-去除率以及微生物还原产物形貌结构的影响都较小,当反应器运行时间相同时,尼龙网孔径为50μm时跨膜压差更低,孔径75μm则无法实现挂膜,故后续实验使用孔径为50μm的尼龙网为支撑层。在尼龙网孔径50μm的条件下,通过调节进水Se O42-浓度（1、2、5 mg Se/L）改变Se O42-负荷,AnDMBR对Se O42-的去除率均可以达到100%,且能够保持长期稳定运行效果。微生物分析结果表明,反应器在引入Se O42-后,优势菌属转化为硒还原菌属和反硝化菌属,硒还原过程和反硝化反应中所需要的酶的丰度都有相应的增加。

关键词： 中试研究   餐厨废水   厌氧膜生物反应器   高温厌氧消化   去除效果  

摘要： 餐厨垃圾有机物含量高,易分解且油脂含量较高;适合采用高温厌氧消化进行处理。但是,高温厌氧消化工艺存在有机酸残留浓度高、系统稳定性差和运行负荷不高的问题。为此,本文构建了中试规模的高温厌氧膜生物反应器系统,以实际餐厨垃圾处理工程中除油后的浆料废水为处理对象,开展了长期连续运行试验;本文研究考察了物料分解规律、反应器稳定性以及膜分离效果;分析了高温厌氧微生物的群落结构,用于解析工艺运行效果;初步评估了系统能量回收潜力。本文所得主要结论如下: （1）反应器在HRT30 d条件下启动,在水力停留时间（HRT）15 d和固体停留时间（SRT）45 d和有机负荷5.8 kg-COD/（m·d）的条件下连续运行了180 d。结果表明,沼气容积产率达到2.9 L/（L·d）,甲烷含量为65%;进料的产甲烷率达到308 m L/g-COD。系统对TS、VS和COD的去除率分别达到88%、96%和98%。膜出水COD浓度稳定在2 g/L,膜对溶解性物质有一定的截留作用。 （2）在添加一定量营养元素后,系统可以维持长期稳定运行。Methanoculleus（92.52%）和Methanomassiliicoccus（6.55%）为优势的产甲烷菌群;水解酸化菌Defluviitoga（35.79%）、Proteiniphilum（25.35%）、Acetomicrobium（15.21%）、Keratinibaculum（8.13%）和Lentimicrobium（3.33%）的相对丰度也得到提升。 （3）基于中试系统,进行了能量回收平衡的初步评估,该系统的能源回收潜力为76.88 k Wh/m,有显著的能量产出效果。 本文应用中试规模的厌氧膜生物反应器,在工程现场开展了连续运行试验。在高温厌氧条件下处理除油后的餐厨废水,该系统有机酸浓度低、产甲烷率高,可维持高稳定性;为进一步开展工艺放大和示范研究奠定基础。