课程文献中心 更多>>

关键词： 辐射特性   粒子悬浮液   光生物反应器   微藻  

摘要： 能源系统是建立人类文明的重要组成部分,用于供给世界能源系统的传统化石燃料已逐渐枯竭,能源储备和能源利用率问题逐渐受到重视。粒子悬浮液和以微藻为主要研究内容的生物细胞混悬液在开发生物质能源、太阳能集热器和生物监测方面有重要应用。在太阳能热水器和聚光太阳能集热器等太阳能利用中,通过向传统工质中添加纳米、微米材料可以改善其换热性能从而达到其能源利用率的目的。微藻作为新型生物质能源,能通过光合作用进行固碳,而转化为油脂蛋白等营养物质受到学者兴趣研究,而光也是微藻生长最重要的因素之一。粒子混悬液和生物细胞混悬液的辐射特性是进行我们对整个辐射传输过程量化分析和优化的基础参数。本文对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、和聚酰胺12(PA12)颗粒在200到1100 nm光谱范围内的辐射特性进行了测量。对索罗金小球藻在300到1100 nm光谱范围内的生长期辐射特性进行了实验测量。自制了一种实验室级别的自流式跑道光生物反应器用于索罗金小球藻扩培和辐射特性的研究。实验结果表明,PET颗粒在764 nm和918 nm附近的吸收峰与苯环中的(C-H)键的振动吸收有关。PP颗粒的吸收截面在335 nm和790 nm处产生峰值。PA12颗粒在692、728、764、835和940 nm处观察到吸收峰值。索罗金小球藻在444 nm,493 nm,685 nm和764 nm处产生吸收峰值。其中吸收截面在444 nm和685 nm处对应的是微藻细胞中叶绿素a的主要吸收区,在493 nm处对应的是类胡罗卜素的主要吸收区。本实验中自制的实验室级别自流式跑道光生物反应器光源稳定,水位下降速度较慢,培养微藻受环境因素影响较小,微藻生长速率较快。本文得出的粒子悬浮液的辐射特性研究方法和实验测量结果在用于小球藻生长期光生物反应器内光场分析具有重要借鉴意义。

关键词： 厌氧膜生物反应器   关键脱氮作用   反硝化   DNRA   厌氧氨氧化  

摘要： 随着城镇化、工业化发展的加速推进,生活生产污废水的不合理排放,水体氮污染引起的环境和人类健康问题依然严峻。使用厌氧生物处理耦合技术应用废水处理去除氮污染,以高效、经济和环保的优势,在污废水处理领域已得到广泛的应用。目前针对氮污染处理,主要以传统的硝化-反硝化脱氮工艺和新型的厌氧氨氧化的脱氮工艺为主,这两种工艺都需要依托功能微生物发挥脱氮作用,而硝酸盐异化还原为铵（DNRA）细菌近年来在厌氧微生物处理废水中被发现,其对反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌脱氮的影响效能不容忽略。从功能微生物作用机理、群落影响等方面进行研究,有助于在废水处理中更好地设计与调整工艺参数以达到更佳、更经济的氮去除效果。 本研究首先在工业废水处理的实际运用中进行微生物群落的关键脱氮作用探究,然后针对以反硝化脱氮为主的废水处理中微生物群落的相互影响机制进行探究,最后在实验室搭建反应器探索DNRA细菌对厌氧氨氧化脱氮的影响机制。主要结论如下: （1）在缺氧-好氧膜生物反应器处理纺织废水中研究了生物膜垢内的关键脱氮作用,高通量测序分析显示,在生物膜垢的15个物种中发现了编码异化硝酸盐还原为铵（DNRA）完整途径的基因,这些物种还携带编码硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的基因,此外没有物种包含完全反硝化途径的所有基因。纺织废水的高温、高碳氮比和缺氧条件下,DNRA细菌比反硝化细菌更能适应生长,从而最大限度地减少出水中的氨浓度。 （2）在厌氧动态膜生物反应器处理洗涤废水中,研究了动态滤饼层内的DNRA和反硝化作用。氮质量平衡结果表明,反硝化作用在动态滤饼层的发育过程中占主导地位,DNRA细菌的活性与动态滤饼层的发展呈正相关。高通量测序分析显示,动态滤饼层中约18%的细菌群落具有完整的DNRA途径。Pannonibacter（1%）、Thauera（0.8%）和Pseudomonas（3%）细菌携带DNRA和反硝化的完整途径。没有其他细菌包含完整的反硝化途径,在此环境下DNRA比反硝化具有更高的活性。此外,COD负荷可用于控制动态滤饼层形成过程中的DNRA和反硝化活动。 （3）在厌氧氨氧化-膜生物反应器中,研究了DNRA细菌对厌氧氨氧化细菌的双刃剑效应。实验中调整反应体系进水负载NH4+-N与NO2--N比值为1.20～1.60,通过调整亚硝酸盐冲击负荷诱导反应系统崩溃以及恢复,更好地理解反应体系中不同细菌的相互影响效果。高通量测序分析显示,在高亚硝酸盐浓度的情况下,与DNRA相关的Ignavibacteriales（21.7%）的细菌数量明显高于厌氧氨氧化细菌的总和（17%）。前期氮去除效率降低是由DNRA细菌的过度生长所致,导致NO2--N积累,最终导致厌氧氨氧化细菌抑制,这被认为是DNRA细菌对厌氧氨氧化细菌的负面影响。另一方面,当降低NH4+-N与NO2--N的比例时,能有效促进DNRA过程,NO2--N去除率达到90%以上,这被认为是DNRA对厌氧氨氧化的积极影响。

关键词： 厌氧膜生物反应器   猪场废水   污染物去除   膜污染   清洗效果  

摘要： 猪场养殖废水是一类有机污染物浓度高,悬浮物多,性质复杂的废水,传统厌氧处理中存在消化污泥流失,处理效率低等问题。厌氧膜生物反应器结合了传统厌氧消化工艺和膜分离技术的新型污水处理工艺,利用膜分离技术,改善了厌氧消化工艺中污泥流失的问题,实现HRT和SRT完全分离,提高了厌氧消化的效率和运行稳定性。本研究采用中试规模外部浸没式厌氧膜生物反应器,设计处理水量1 m·d,利用猪场实际废水,经过启动调试、负荷提升、稳定运行三个阶段。考察了装置在不同HRT条件下,系统运行的稳定性、污染物去除效果、微生物菌落结构特征以及膜组件性能、膜污染控制研究,为厌氧膜生物反应器处理猪场养殖废水工程应用提供参考。主要结论如下:（1）系统运行过程中,p H与ORP相对稳定,波动范围较小,其中p H在7.1～7.8之间,ORP始终小于-300 m V,满足厌氧微生物所需的厌氧环境,为微生物的增殖创造良好的环境条件;VFA/ALK的比值一直小于0.1,远小于失稳值,运行稳定性强;运行期间随着HRT缩短,进水负荷由1.88 kg·m·d提高至5 kg·m·d,日产气量由184 L增加至764 L,沼气产率在0.38～0.45 m·kg;（2）在中温条件下,采用外部浸没式AnMBR处理猪场养殖废水,分别在HRT为8、5、3d,三个阶段连续运行120d,装置运行稳定。系统去除COD效果良好,抗冲击负荷能力强。在HRT为5d时,厌氧消化对TCOD去除率最高可达61.2%,经膜拦截后,TCOD去除率达80±6%。溶解性COD去除效果明显,占TCOD去除的55%;系统运行过程中,随着HRT缩短,负荷提升,甲烷产率逐渐增大至0.3 m·kg·COD,沼气中甲烷含量稳定在70%～75%之间。三维荧光分析AnMBR对猪场养殖废水中DOM的去除效果,发现DOM主要具有类富里酸的荧光特征,属于腐殖酸类物质,经过处理后的特征峰强度有所减弱,并且随着HRT的延长减弱趋势更加明显;（3）采取高通量测序的方式,研究系统中古菌和细菌的菌落结构特征,在运行稳定期的样品中,古菌中甲烷丝菌和甲烷螺菌占优势,而在启动调试期的样品中甲烷囊菌占优势。从Alpha多样性分析可以看出,AnMBR运行稳定阶段不管是细菌总数还是菌落多样性均多于启动调试阶段,说明了系统对猪场废水有着良好的适应性,耐负荷能力和对污染物降解效果均有所提升;（4）对系统运行过程中TMP进行连续监测,随着HRT缩短,处理负荷增加,TMP增长速率加快,膜通量下降幅度增加,清洗周期由HRT=8 d时的20 d下降到HRT=3 d时的10 d。通过分析膜组件不同位置泥饼层SS和VSS的区别,发现平板膜上部SS、VSS均高于底部,但VSS/SS低于底部,说明膜组件的曝气位置和曝气强度对膜组件污染的部位有很大影响。对受污染的膜组件采取水冲洗结合次氯酸钠碱洗和柠檬酸酸洗的方式可以有效去除膜污染,恢复膜的过滤性能。物理清洗可将膜组件表面的泥饼层基本去除,碱洗后的膜过滤阻力由之前的0.38k Pa·L·m·h下降至0.15 k Pa·L·m·h,效果明显;（5）通过电镜对膜组件的微观形貌进行观察,发现经过次氯酸钠碱洗后的膜组件孔隙内污染物去除效果明显,说明在处理猪场养殖废水中造成膜孔堵塞的主要是有机污染物。化学清洗后的膜组件与受污染的膜相比C和F的质量百分比有所提升,由41.23%提升至49.33%。另外,O、Na、Si、Ca、Mg等物质的质量百分比与污染膜相比都有所降低,但并没有被完全除去,说明化学清洗具有一定效果。

关键词： 气提式生物反应器   数值模拟   气液两相流   硝化模拟  

摘要： 气提式生物反应器是一种环流多相流反应器,因其内部导流筒结构,使得反应器内部流体具有较好的流动循环作用,加强了各相间混合传质,同时在反应器内部空间形成了明显的氧浓度梯度,强化了脱氮除磷效果;该类反应器因其具有结构简单、传质效率高、处理效果好等优点受到研究者重视,并在化工、生物和污水处理等众多领域得到了应用。众所周知,污水好氧处理技术中,运行参数及结构参数不但决定着反应器的氧传质效果及能耗,而且对反应器处理效率影响极为显著,对其进行优化不仅可以提高处理效率,也是反应器减碳降排关键环节,目前采用数值模拟的方法对污水处理反应器进行结构及运行参数优化成为发展趋势。本文将Higbie溶质渗透理论及活性污泥模型(ASM)通过用户自定义程序即UDF方式建立溶解氧输运模型及ASM1简化模型,模型均通过实验验证准确性后对相间传质及生物过程进行描述,观察反应器内部各物质浓度时空分布规律,主要内容包括:(1)建立气提式生物反应器三维模型,模拟分析运行状态下反应器内部流场特征规律,反应器内筒溢流量模拟值与实验值对比误差在20%以内,表明溢流量模型可以较为准确地得到溢流量值。基于Higbie溶质渗透理论建立溶解氧输运模型对两相间氧传质过程进行模拟预测,通过清水曝气充氧实验中所得到的溶解氧随时间变化曲线对模拟精度进行验证,模拟值与实验值趋势一致,误差控制在7%以内,表明溶解氧输运模型可以较为准确地描述氧传质过程。耦合ASM1简化模型尝试探查反应器内单一硝化菌生化反应过程,通过对比反应器单一硝化菌硝化过程逐时测定结果对模拟的可靠程度进行验证,溶氧、氨氮及硝氮浓度变化趋势拟合良好,认为ASM1简化模型可以用于探查反应器内各物质浓度时空变化规律。(2)基于前述溶解氧输运模型反映的流场特性分布规律,将反应器内部分为“空气-水表面”及“气泡-水”两部分探究氧传质性能,根据传质性能得出反应器最佳曝气及结构参数,随着曝气量增加(20 L/min～50 L/min),外筒侧氧传质系数呈指数型趋势增加,增长速率逐渐减缓。随着导流筒直径减小(325 mm～250 mm),氧传质系数呈指数型升高,升高趋势逐渐加快。随着内筒伸出液面高度减小(0.025 m～0.01 m),氧传质系数呈指数型趋势增加,增长速率逐渐减缓。基于“低能耗、高效率”提出最优运行及结构参数:曝气量为20 L/min～35 L/min,导流筒直径为260 mm～310 mm,内筒伸出液面高度为0.015 m～0.025 m。(3)基于已验证的ASM1简化模型分析运行参数(曝气量、氨氮底物浓度、硝化菌浓度)及结构参数(导流筒直径)对生物反应器硝化反应的影响。随着曝气量增加(5L/min～20 L/min),溶氧浓度由0.06 mg/L增至2.57 mg/L,氨氮降解速率提高3.79倍,硝氮生成速率增大3.75倍,增大曝气量对处理效率的提高具有明显效果,随着曝气量的增加,各物质浓度呈现指数型上升趋势,表明不同曝气范围内,达到相同的曝气效果所耗费的成本亦会不同。随着伸出高度增加(0.01 m～0.04 m),溶氧浓度降低72%,氨氮降解速率降低37%,硝氮生成速率降低25%,伸出高度对反应器导流筒内各物质浓度基本无影响,但由于其影响到反应器厌氧缺氧及好氧各区面积,从而影响实际污水处理设备中完整生化过程。随着氨氮底物浓度增加(40 mg/L～100 mg/L),溶氧浓度仅降低11%,氨氮降解速率增加27%,硝氮生成速率由0.33 mg/(L·h)增至0.35 mg/(L·h),增大氨氮底物浓度对流场特性无影响,基质浓度与氨氮降解及硝氮生成速率之间基本呈现线性关系,也表明于此种工况及微生物状态下,氨氮底物浓度远未达到抑制浓度线。随着硝化菌浓度的增加(100 mg/L～2000 mg/L),溶氧浓度降低96%,氨氮降解速率增大56%,硝氮浓度生成速率增大1.8倍,硝化菌浓度与流场内各物质浓度均呈指数关系,增长速率逐渐减缓,当投加量超过一定范围时,由于微生物的死亡、捕捉等各项生命活动,达到相同效果成本将更高,但其可在不改变反应器各区面积比及停留时间的条件下直接提升处理效果,亦是目前最主要最直接的优化方式。所构建模型可既低成本又直观的观察反应器各物质浓度分布规律,为后续反应器设计及加工提供指导意见并节省成本,对后续模拟实际污水处理过程具有指导意义。

关键词： 污水处理   藻菌膜生物反应器   膜污染   氮磷比   镁离子  

摘要： 藻菌膜生物反应器（藻菌 MBR）是一种将传统 MBR与藻菌系统相结合的新兴工艺，该工艺利用膜的分离效果解决了出水生物质含量高的问题，有效提升了系统稳定性。N、P不仅是城镇污水中常见的去除指标，也是藻菌 MBR体系中的重要营养元素，它们的投加量不仅影响微藻和细菌的生长状态，还会改变藻菌絮体的理化性质。镁是水体中常见的离子，在城镇污水中广泛存在。同时，镁也是叶绿素的中心原子，影响着叶绿素的含量和微藻的浓度及活性。此外，在藻菌 MBR 中，膜污染也是一个不可避免的问题。研究藻菌 MBR 中的膜污染性质是改善工艺，使藻菌MBR 得到广泛应用的必要条件之一。综上，本研究采用实验室规模的浸没式藻菌MBR 装置，以合成废水的方式模拟城镇污水，通过改变进水的 N/P 和镁离子（Mg2+）浓度探究其对藻菌MBR运行效果和膜污染的影响。主要研究结果如下：　　（1）N/P 对藻菌 MBR 膜污染有显著影响。N/P 的不同没有改变滤饼层的主要污染机制，但低 N/P（4:1）能够消除系统中 P不足的抑制作用，导致系统内小粒径颗粒比例增加，从而膜污染现象加剧。N/P 引起的小尺寸絮体占比不同是导致不同污染现象的主要原因。　　（2）Mg2+浓度对藻菌 MBR处理废水的效果有显著影响。Mg2+显著影响了微藻的生长，提高了微藻对 N、P的处理效率。Mg2+浓度为 8 mg/L的实验组对 N、P的去除效率分别提升了 8.67%和 9.58%。同时，Mg2+投加后，粒径大小变化较小，表明在本研究的条件下，Mg2+在悬浮液中的絮凝效果不明显。因此，Mg2+对微藻生长的影响是导致处理效果差异的主要原因。　　（3）Mg2+对减缓藻菌 MBR的膜污染有显著影响。Mg2+能够促进藻菌系统滤饼层中的颗粒絮凝聚集，产生大尺寸絮体。添加 Mg2+的实验组滤饼层中大粒径颗粒占比更大。Mg2+通过促进微藻细胞的生长、加快微藻对可溶性微生物产物（SMP）及胞外聚合物（EPS）的吸附以及中和 EPS 负电荷的方式减少系统内 SMP 和 EPS 含量。综上所述，控制合适的 Mg2+浓度对减缓藻菌 MBR 的膜污染，节约工艺成本及延长膜使用寿命具有重要意义。

关键词： 膜生物反应器   中空纤维膜   膜改性   硫化氢   微生物群落及功能  

摘要： 垃圾分类是构建无废城市的基础,但分类后的餐厨垃圾含水率高、营养元素丰富,在收集运输和处理处置过程中易被降解,造成恶臭气体污染。尤其是硫化氢组分,其嗅阈值较低,是恶臭气体中重点关注的对象。因此,治理餐厨垃圾降解产生的硫化氢显得尤为重要。该研究依托国家重点研发计划,探讨喷涂改性前后膜生物反应器在不同参数条件下对硫化氢的去除效能,基于高通量测序技术揭示反应器中微生物群落及功能的响应机制。主要研究成果如下:（1）搭建聚偏氟乙烯（PVDF）膜反应器,先后使用纯水和活性污泥作为液相,研究反应器对硫化氢的去除效果。结果发现,相较于纯水膜反应器,加入活性污泥并挂膜驯化可提升膜反应器对硫化氢的去除,提升幅度可达20%～63%。通过极差分析发现,膜生物反应器对硫化氢去除效果的影响因素由高至低依次为处理时间>硫化氢流量>硫化氢浓度。根据温度梯度实验发现,在环境温度为25℃下,硫化氢的去除效果最佳,其平均去除率为76.51%,较15°C和35°C下的分别提高6.27%和2.33%。（2）使用聚二甲基硅氧烷和SiO2对PVDF中空纤维膜表面进行改性,提高了膜生物反应器对硫化氢的处理效能。通过接触角和孔隙率测定发现,改性后膜的疏水性提升且孔隙率降低;其中,接触角增加了30.68°,孔隙率降低了7.74%。通过表面形貌表征发现,膜表面有分布均匀的Si元素,进一步证实了膜改性成功。相较于PVDF膜生物反应器,改性后的膜生物反应器在环境温度为15℃、25℃和35℃时,硫化氢的平均去除率分别提升了7.31%、3.23%和2.36%,去除能力提升了133.24 mg·m-3·h-1、46.39mg·m-3·h-1和77.83 mg·m-3·h-1。（3）通过对膜生物反应器中微生物高通量测序发现,两个改性前后膜生物反应器中的微生物在属水平上差异较大,相对丰度前5的菌属中,共同存在的仅SN8和Unclassified＿f＿Enterobacteriaceae。两个膜生物反应器的chao1指数没有显著差异（p>0.05）。在膜生物反应器中,硫化氢在Cys E和Cys K编码的酶以及O-琥珀酰-L-高丝氨酸琥珀酸裂解酶[EC:2.***.1.48]和O-乙酰高丝氨酸氨基羧丙基转移酶[EC:2.***.1.49]等酶的作用下转化为L-半胱氨酸和L-高半胱氨酸,完成硫化氢的生物固定。

关键词： 污泥   餐厨垃圾   厌氧膜生物反应器   热水解预处理   美拉德反应   溶解性有机物  

摘要： 污水污泥和餐厨垃圾是城市易腐有机固废的典型代表,其产量大且具有资源和污染双重属性。若处理不当,易造成严重的危害,是关系民生的重大问题。因此,本论文以污泥为研究对象,针对厌氧消化过程“水解慢、甲烷产率低和有机固体降解难”等问题,将其与餐厨垃圾共发酵,并引入热水解(TH)预处理策略,探究其对有机物释放及美拉德反应途径的作用机理;随后与新型的浸没式厌氧膜生物反应器(AnMBR)耦合,在分子水平上探索溶解性有机物(DOMs)等在系统中的归趋和转化,并探究其全面应用的可能性;以期为有机固废高效处理与资源化利用提供理论依据,为“碳中和”目标提供技术支撑。主要研究结论如下:1)热水解预处理显著提高了污泥和餐厨垃圾的溶解度,在160℃-40 min时,SCOD和SPS达到最高平均浓度6.35±0.09和1.64±0.06 g/L,分别为对照组的1.87和2.56倍;SPN和NH-N浓度随TH温度上升,但180℃后NH-N浓度激增,表明蛋白质可能存在部分降解;TD-EEM分析证实了TH预处理促进了污泥和餐厨垃圾溶解的同时也很大程度上促进了腐殖酸浓度的提升和美拉德反应的发生;红外光谱及同步、异步谱图推测了美拉德反应可能的发生过程:蛋白酰胺带的轻度水解→-OH开始参与脱水和缩合反应→形成烷基和醚键→聚合活跃,在酯中产生C=O带;最后,借助FT-ICR MS分析了对照组、160℃和200℃-TH预处理基质的分子组成变化,表明了TH显著提高了其相对强度和化学多样性,高温TH预处理导致呋喃、吡嗪、吡啶、嘧啶、吡咯、哌啶、哌嗪、噻唑等Mrps中间体的产生,其存在可能会对后续AD产生抑制。2)热水解预处理与AnMBR耦合系统在中温条件下成功运行150天,并监测在不同热水解温度下污泥和餐厨垃圾共消化效果。试验结果表明,在160℃、40 min条件下观察到最佳性能。在该条件下,甲烷产量高达111.9 m L/L/d,相比对照组提高了94%(57.6 m L/L/d);COD至甲烷的转化率为49.63%,相比对照组(25.79%)提高了23.84%;COD、PN和PS的去除率稳定在98.3±0.2%、97.8±0.7%和99.0±0.5%,实现了高甲烷产量的同时,也避免了美拉德反应和焦糖化过程诱导不可降解物质导致渗透液水质的恶化。最后,微生物解析结果进一步证实了TH预处理不仅能有效富集有机质降解菌(如Chloroflexi、Bacteroidetes和Firmicutes)和产甲烷菌(如Methanosaeta、Candidatus＿methanofastidiosum和Methanobacterium),而且促进了不同微生物之间的协同作用(如Anaerolineae和Methanosaeta)。此外,在整个150 d的操作过程中,保证了AnMBR的高稳定性和低膜污染,表明了TH预处理耦合AnMBR在处理有机固废的同时回收资源方面具有可行性和广阔的前景。3)基于上述试验结果,进一步深入剖析THP和AD过程中关键DOMs的转化分子机制。研究结果表明,TH预处理提高了低分子量和高分子量化合物占比,并显著增强了进料基质中DOMs的相对强度和化学多样性,但出水中DOMs的相对强度和化学多样性降低了。160℃-TH预处理引入的化合物具有较低的低芳香性或极性,在AD中是可生物降解的,对应于蛋白质/氨基糖和不饱和烃区域。相比之下,200℃-TH发生了强烈的分解和美拉德反应,引入的疏水性和芳香族结构含量较高的化合物(O/C和H/C值较低)生物降解性较差,主要是CRAM类物质。对于KMD相同的同源DOMs,NOSC越低、H/C越高、O/C越低的化合物生物降解性可能更好。在出水中检测到大量的杂环物质,如吡啶、哌嗪、嘧啶等,可能会对环境造成危害,在最终处置前应对其充分考虑。

关键词： PRRSV   遗传进化分析   致病性分析   生物反应器   单克隆抗体  

摘要： 猪繁殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）是在养猪业中至关重要的病原之一,所引起症状主要包括母猪的繁殖障碍与各年龄猪的呼吸道疾病。高致病毒株、疫苗毒株、类NADC30样毒株在田间流行中发生重组,产生死亡率更高、传播力更强、所致临床症状更严重的重组毒株。PRRSV遗传多样性的不断变化随之而来的一个问题是抗原多样性的扩大,导致其复杂的致病性、毒力、传染力及传播特性,使得目前临床可用的疫苗仅提供部分或较少的交叉保护力。因此,开展PRRSV流行毒株分离及研究,为诊断与疫苗研发提供技术支撑尤为重要。本研究从湖北省某猪场送检病料中分离出一株PRRSV,命名为HuB-1-China-2021株,对其进行生物学特性分析、基因组特征及遗传进化分析,利用动物回归试验进行致病性分析,利用分离病毒对来自不同免疫猪场的血清进行中和试验,对HuB-1-China-2021株在生物反应器上的增殖能力进行探究,并制备全病毒单克隆抗体,具体研究结果如下:***-1-China-2021株的分离鉴定对NSP2、ORF5区域PCR检测阳性的送检病料进行病毒分离,分离到可在Marc-145细胞上稳定传代的PRRSV 1株,命名为HuB-1-China-2021,对其进行空斑纯化、CPE、IFA鉴定,测定其生长曲线发现该病毒在48h滴度最高为107.5TCID50/m L,测定P5、P10、P20代次的病毒滴度,毒价由105.7TCID50/m L逐步升高至107.5TCID50/m L。***-1-China-2021株的基因组特征分析对HuB-1-China-2021株进行全基因组测序,确定其基因组全长为15002bp,序列分析结果表明该毒株与JXA1的核苷酸同源性最高为94.0%。NSP2区氨基酸缺失模式分析显示该病毒具有与类NADC30样毒株相似的131aa的特征性缺失。蛋白特性分析表明,该毒株的GP5蛋白具有一个信号肽、三个线性表位、三个跨膜区以及N34、N44、N51三个糖基化位点。对该毒株进行重组分析,发现所有断点都位于编码NSP或次要结构蛋白的基因中,说明HuB-1-China-2021株属于以JXA1为主要亲本,NADC30为次要亲本的重组毒株。***-1-China-2021株的致病性分析为进一步探究HuB-1-China-2021株的致病性,将仔猪分为HuB-1-China-2021-A、B（高、低）剂量组和Control组进行了动物回归试验。结果表明,A、B两组均导致仔猪产生不同程度的发热、病毒血症和肺组织损伤等临床表现和病理变化,临床症状、体温曲线以及各组织病毒载量等指标均无明显差异,仅在日增重及血清抗体水平变化上略有差异,且A、B两组致死率均达80%（4/5）。***-1-China-2021株与临床血清的中和试验从全国十个省份的不同猪场采集商品化疫苗免疫70d后的阳性血清共计412份,与HuB-1-China-2021株进行Marc-145细胞中和试验,其中中和效价小于1:4的血清占比83.00%（342/412）;中和效价为1:4到1:8之间的血清占比8.73%（36/412）;中和效价为1:8到1:16之间的血清占比4.12%（17/412）;中和效价为1:16到1:32之间的血清占比4.12%（17/412）。这表明目前商业化的PRRSV疫苗难以对该毒株形成较好的保护。***-1-China-2021株生物反应器中增殖水平的初步研究检测冻融次数、保存时间、温度、pH对病毒滴度的影响并建立合适的种毒制备方法,病毒接种MOI为0.01、收毒时间为48h。对该毒株在生物反应器中的增殖参数进行研究,确定片状载体使用浓度为40g/L、细胞接种最佳密度为0.5×10～6个/m L,病毒接种MOI为0.05,收毒时间为48h。对HuB-1-China-2021和疫苗毒株CH-1a在生物反应器中增殖能力的研究,发现在生物反应器中增殖的HuB-1-China-2021病毒滴度与吸附效率均显著高于CH-1a。***-1-China-2021株单克隆抗体的制备蔗糖密度梯度离心纯化HuB-1-China-2021株并进行动物免疫,利用建立的间接ELISA方法测定小鼠血清抗体效价,当其达到1:51200,进行加强免疫并在3d后进行细胞融合,对融合细胞进行三轮亚克隆培养,筛选出6株阳性杂交瘤细胞株。选择抗体效价最高的一株PRRSV-5C12进行后续试验,经Western Blot鉴定为针对M蛋白的单克隆抗体,抗体亚型重链为Ig G2b、轻链为Kappa,抗体效价可达1:12800,经IFA、IHC验证其特异性良好,与各类型毒株反应。

关键词： 二十二碳六烯酸   裂殖壶菌   生物发酵   生物反应器   动力学模型   计算流体力学  

摘要： 21世纪以来，生物制造因其绿色节能的优势已成为现代制造业的研究热点,它可以通过微生物发酵将可再生原料转化为有价值的化合物。为了提高微生物的发酵产量，生物学家借助现代生物技术对野生微生物进行适当的改造从而获得生产性能更强大的改造菌株，并通过发酵策略优化不断提高发酵产量。然而,由于不同体积生物反应器内的流场环境差异，工业规模中的发酵产量往往达不到实验室的标准。因此实验室的研究成果能否快速实现工业放大，是影响工业化生产和经济效益的关键因素。本研究以裂殖壶菌（Schizochytrium sp.）产DHA油脂的发酵过程为研究对象，通过实验和软件分析，构建了 DHA发酵过程的动力学方程;然后通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）对发酵所用生物反应器进行数字化，获得发酵过程中的环境参数;接着通过将动力学模型和环境变量进行耦合，实现对不同生物反应器体积和不同操作条件下的发酵过程的模拟，并提供了相对于传统放大方式更加直观准确的放大指导。主要研究内容和结果如下:　　（1）通过5 L和50 L发酵实验探究底物浓度以及氧气浓度对裂殖壶菌发酵过程中生物量和油脂产量的影响，进一步构建了发酵过程的动力学方程。结果显示，裂殖壶菌生产DHA油脂的过程主要可以分为三个阶段:生物量积累阶段（0-28 h）,过渡阶段（28-52 h）,油脂积累阶段（52-120 h）。5 L发酵实验中，在生物量积累阶段，总生物量从17.9 g/L增加到49.0 g/L,其中去除油脂后的无脂生物量从13.6 g/L增加到33.9 g/L,油脂含量仅增加了 10.9 g/L。当发酵进入第二阶段后，油脂含量从15.2 g/L增加到28.3 g/L,而无脂生物量仅增加了7.8 g/L。当细胞代谢完全转化为次级代谢后，发酵进入第三阶段。在此阶段，无脂生物量没有增加，但油脂持续积累，从70.0g/L增加到98.1g/L。50L发酵实验中，发酵过程也明显分为三个阶段，但是由于操作条件的不同，每个阶段开始时间和持续时间不同，主要表现为高供氧导致每个阶段提前并且持续时间缩短，但是过高的供氧会降低油脂中DHA的含量。最后，根据对发酵过程的分析，以氮源和溶解氧为限制性底物构建了无脂生物量和油脂的动力学方程，方程拟合曲线的相关系数R2分别为0.981和0.987。　　（2）通过电脑软件建立生物反应器的数字模型，并和生物动力学方程结合,获得可以模拟裂殖壶菌发酵过程的耦合模型。首先采用建模软件SpaceClaim分别建立5 L、50 L发酵罐的3D模型并导入至Fluent Meshing软件，采用多面体网格进行网格划分，网格划分质量分别为0.63和0.49,满足计算需求;然后将网格导入Fluent 2020 R2求解器，采用欧拉-欧拉模型和PBM模型分别模拟气液两相流以及气泡的聚并和破碎。经过数值求解，获得不同转速和通气比下的气含率、流场速度、氧传质能力等流场参数，实现流场环境的数字化。接下来将裂殖壶菌发酵的生物动力学方程转换为软件可识别的代码形式，并通过自定义函数功能（UDF）导入到流体力学模型中，建立耦合动力学方程的CFD模型。利用耦合模型对5 L油脂发酵过程进行模拟，模拟结果和实验值吻合良好，其中无脂生物量和油脂的模拟结果分别为41.5 g/L和54.7 g/L,与实验数据的偏差分别为2.9％和1.2％。为了验证耦合模型的鲁棒性，进一步利用模型模拟不同操作条件下的50 L发酵过程，结果显示，氮源和溶解氧的消耗以及总生物量、无脂生物量和油脂合成的模拟值和实验结果吻合较好，最大误差小于5％。　　（3）采用耦合模型模拟不同操作条件下35 m3发酵罐中DHA发酵过程，探究最佳操作条件并应用于实际生产中，实现DHA发酵的一步放大。模拟结果显示，通风比0.1 vvm、搅拌速度100 rpm条件下生物反应器中混合效果优越,但供氧较高，导致微生物代谢水平更活跃（油脂产量的预测结果高于5 L发酵结果），可能不利于DHA的合成;当操作条件为0.1 vvm,80 rpm时，微生物代谢的预测结果与5 L生物反应器非常接近，但在此条件下，湍流动能和气含率分布不均匀;进一步模拟了 0.08 vvm、100rpm条件下的生物反应器发酵过程，模拟结果表明，该条件下流场环境（包括湍流动能、气含率和kLa）和微生物代谢（包括氮源和氧气的消耗以及生物量、油脂合成）均与实验室结果接近。采用改进后的操作条件进行35 m3发酵生产，总生物量达到99.2 g/L,油脂产量为55.7 g/L,DHA浓度为29.2 g/L,油脂中DHA的百分比为52.5％,与实验室规模的5 L发酵结果基本一致。

关键词： 深度脱氮   生物强化   Comanonas testosteroni   Rhodococcus ruber   喹啉   VBBR反应器   电子供体  

摘要： 随着我国城镇化和工业化的迅猛发展,各种废水的排放量也在增加。自2015年起,国务院通过了《水污染防治行动计划》,城市污水处理能力得到明显提升,一些重点河流流域和区域先后制定地方城镇污水处理厂污染物排放标准,除TN以外,各项水质相关指标几乎都能满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅳ类标准一样,因而可简称为“准Ⅳ类”标准,而随着高排放标准的出现,超净排放这个概念由此而出。超净排放中准Ⅳ类的含义就是除了总氮以外,其它各项指标都达到地表水Ⅳ类水。由此可以看出,总氮的达标排放成为各地方城镇污水处理厂为了提标改造的技术瓶颈,而总氮的达标又取决于硝酸盐的去除,即反硝化工艺。因为绝大多数污水处理厂的尾水中总氮主要包含硝酸盐。为了提高反硝化的效率,实现深度脱氮,本研究从生物强化和反应器两方面分别开展研究。生物强化方面,分别使用葡萄糖和喹啉作为电子供体,利用所筛选到的两株菌G菌和F菌,通过生物强化的方法分别进行硝酸盐的还原,并探讨了相关的机理。在反应器方面,采用本课题组开发的垂直折流式生物反应器(Vertical Baffled Bio Reactor,简称VBBR),分别进行了小试和中试,在不同碳氮比条件下探讨其对反硝化速率的影响,并探讨了相关机理。本研究主要结果包括:(1)分别从葡萄糖和喹啉驯化的反硝化污泥中筛选出两株纯菌——G菌和F菌。经过形态学观察和16S r DNA序列进行分析,G菌最后确定为Comanonas testosteroni(睾丸酮丛毛单胞菌),H菌确定为Rhodococcus ruber(红球菌)。(2)利用***的生物强化可以明显加速葡萄糖作为电子供体的反硝化速率,通过高通量测序发现提高了Comanonas(丛毛单胞菌属)中nir S基因的丰度,从而提高亚硝酸盐催化还原能力,加速整个反硝化的降解速率。(3)利用典型的含氮杂环化合物喹啉,作为反硝化反应的电子供体,将***加入喹啉驯化的反硝化污泥后,既可以加速喹啉的生物降解和矿化速率,同时硝酸盐和亚硝酸盐降解速率得到明显加速。虽然***可以在缺氧状态单独降解喹啉,但其本身不具有反硝化功能作用。***可以将喹啉中的电子释放出来供反硝化菌以驱动硝酸盐的去除。(4)采用VBBR反应器,可在COD/N比为3时实现完全反硝化。在6 h的反硝化过程中,溶解性COD在最初2h内几乎全部消失,但在随后的反硝化过程中,蕴藏于反硝化污泥中的碳源(COD)仍可提供电子供体驱使硝酸盐的持续去除。(5)VBBR反应器可以很好地隔绝溶解氧,从而可以利用VBBR反应器实现深度脱氮。