基于土著菌株Micrococcus sp. AnQ1的群体淬灭膜污染控制技术在厌氧膜生物反应器中的应

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厌氧膜生物反应器(AnMBR)技术作为一种新兴污水处理技术,具有出水水质优良、占地面积小、能够产生清洁能源(生物沼气)等显著优点,近年来受到了广泛地关注。但是,膜污染一直是制约AnMBR广泛应用的障碍之一;膜污染降低污水处理效率,增加膜清洗和膜组件更换频次,提高运行成本。针对该技术瓶颈,本研究探讨了群体淬灭(Quorum quenching;QQ)方法用于AnMBR膜污染控制方法的可行性。该方法通过淬灭微生物群体感应信号分子而减缓生物膜的形成和生长,从而在好氧膜生物反应器(MBR)中有效地控制了膜污染。但是,该技术在AnMBR中的应用还缺乏系统地研究。
  本研究首先借助液相质谱联用仪(LC-MS/MS)对厌氧污泥中酰基高丝氨酸内酯(N-acyl homoserine lactones;AHL)型群体感应信号分子进行了表征,对实验室分离的11株群体淬灭菌降解AHL的性能进行了比较,确定了最适宜菌株;其次,采用批次实验优选了群体淬灭菌固定化的载体及固定方法;最后,以合成生活污水为处理对象,在实验室反应器中研究了群体淬灭技术用于AnMBR膜污染控制的可行性。取得研究成果如下:
  1、厌氧污泥的污泥相中N-己酰基-、N-3-氧络己酰基-、N-辛酰基-、N-癸酰基-高丝氨酸内酯(C6-HSL、3OC6-HSL、C8-HSL、3OC8-HSL、C10-HSL)含量较高。从厌氧污泥中分离筛选出11株兼性厌氧群体淬灭菌,通过生物发光法(紫色杆菌CVO26和根癌农杆菌A136)定性和LC-MS/MS定量检测,发现微球菌属(Micrococcus)菌株AnQ1降解AHL效果最佳;在6小时内C10-HSL、C8-HSL、3OC8-HSL和C6-HSL降解效率分别为>90%、~80%、~80%和>60%。
  2、通过批次实验,发现包埋群体淬灭菌的载体制备中海藻酸钠的比例对AHL淬灭效果影响较大;当海藻酸钠比例为4%(w/v)时,包埋AnQ1菌的海藻酸钠胶珠(AnQ1-Alg珠)降解AHL效果最好,其中C10-HSL的降解效率>90%,C8-HSL降解效率接近70%。将AnQ1-Alg珠按照5%(v/v)比例加入厌氧污泥中培养48小时后,通过激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)观察污泥胞外聚合物(EPS)中的组成变化,发现多糖的比例相较于空白组明显减少;将污泥中EPS分层提取并定量测定各组分中的多糖和蛋白质的含量,发现加入AnQ1-Alg珠的污泥中紧密结合型EPS(TB-EPS)中多糖含量比对照组减少了54%。由此推断AnQ1-Alg珠对生物膜的形成具有抑制作用,能够用于AnMBR的膜污染控制。
  3、以实验室规模的AnMBR(有效体积4升)为研究平台,采用合成生活污水(COD~500mg/L)为处理对象,考察AnQ1-Alg珠用于AnMBR膜污染控制的性能。反应器稳定运行后,COD去除效率达到90%以上,沼气产量为2.3升每天,甲烷比例超过80%。传统模式下膜污染进程为17天,而加入空白海藻酸钠(Alg)胶珠和AnQ1-Alg珠的AnMBR达到膜完全污染的时间分别为21天和39天。相较于传统模式,加入AnQ1-Alg珠的AnMBR膜污染速度延缓了2倍以上,从而证明了AnQ1菌用于AnMBR膜污染控制的可行性。
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