英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
在膜生物反应器中以甲烷为基
质去除地下水中的硝酸盐
摘要：
反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）的发现不仅提高了我们对全球甲烷和氮循环的认识，而且为从硝酸盐污染的水中去除硝酸盐提供了新的技术选择。 以前的研究表明DAMO生物可以在严格厌氧条件下从废水中去除硝酸盐和亚硝酸盐。 在这项研究中，我们调查了含有溶解氧的地下水中去除硝酸盐的可行性。 用DAMO共培养物接种的膜生物反应器（MBfR）能够处理含有高度污染的硝酸盐（50mg N / L）和氧气（7-9 mg O2/ L）的模拟地下水，最大体积硝酸盐去除率为45 mg N / Ld。 试验观察到醋酸盐和丙酸盐的短暂积累，表明乙酸和丙酸可能是参与甲烷氧化的中间产物。 16S rRNA基因扩增子测序表明，一种已知的能够将亚硝酸盐还原与厌氧氧化甲烷（AOM）偶联的DAMO细菌Candidatus Methyltarabilis是主要的菌群。 没有观察到能够将硝酸根与AOM偶联的DAMO古菌，然而，在该系统中发展了大量的反硝化菌。 基于这些微生物的已知代谢和一系列批次研究，认为在限氧条件下甲烷被氧化为挥发性脂肪酸（VFAs），然后所生成的VFAs用作这些异养脱氮的碳源以去除硝酸盐。 这项研究提供了一种潜在的技术，通过MBAM中的DAMO过程从地下水中去除硝酸盐。
1.介绍
地下水是地球上最重要的自然资源之一。 它在饮用水供应方面起着非常重要的作用。 例如，地下水是美国44％人口饮用水的主要来源（Hallam等人，2004）。 在一些特别是农村地区没有自来水的地区，这是饮用水的主要来源（Shen等人，2015）。 然而，在农业中大量使用含氮肥料导致硝酸盐向地下水的持续释放（Almasri，2007）。 地下水中的硝酸盐污染对公众健康构成严重威胁，可能导致高铁血红蛋白血症或胃癌（罗等人，2014; 沃尔夫和 Patz，2002），因此从地下水中去除硝酸盐十分重要。
硝酸盐从地下水中去除可以通过物理（反渗透或电渗析），化学，物理（离子交换）或生物学方法（Rivett等人，2008）。 其中，生物脱氮已被认为是从地下水中去除硝酸盐最有效的过程之一，其可在含水层（原位生物修复）或地上反应器中进行。 另外，与物理和化学过程相比，生物脱氮过程更适合于大规模应用Soares，2000）。 然而，通常将外部有机碳源（例如乙醇或甲醇）作为电子供体添加用于异养脱硝，这对该工艺造成显着的成本。 当过量施用时，它也可能造成二次污染，例如促进配水系统中的生物膜生长（Waki等人，2005）。 因此甲烷已被提议作为替代电子供体代替甲醇或乙醇，甲醇或乙醇是一种便宜得多且容易获得的具有低溶解度的碳源，因此在使用后不会留下残余物。 甲烷支持硝酸盐的去除已在之前的一些研究中进行过研究，主要基于有氧条件下的有氧甲烷氧化和脱氮Costa et al。，2000; Eisentraeger等人，2001; Thalasso等，1997; Modin等人，2008， 2010; Rhee和Fuhs，1978; Sun等人，2013; Waki等人，2005; 朱等人，2016）。 在这样的系统中，同时提供氧气和甲烷，其中甲烷氧化伴随着脱硝是微生物即甲烷氧化细菌和反硝化细菌的协同作用的结果。 甲烷氧化菌将同化的碳转化为可溶性代谢物（如柠檬酸盐（Rhee和Fuhs，1978），甲醇（Mechsner 和哈默，1985年），乙酸酯（Costa等人，2000），然后作为反硝化细菌的碳和能源来完成脱硝过程。 同时，共存的甲烷氧化菌能够在生物体内优先利用氧气，从而为脱氮菌创造缺氧微环境（Sun等，2013).
最近报道了反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）工艺，它能够在厌氧条件下直接以甲烷作为碳源进行脱氮（Ettwig等人，2010; Haroon等，2013; Raghoebarsing等人，2006）。 这为从地下水或废水中去除硝酸盐提供了一种新技术。 到目前为止，已经发现了两种关键的微生物来促进DAMO过程。 Ettwig等人（2010年） 3CH4 8Hthorn;/ 4N2的甲烷作为电子供体能够还原亚硝酸盐，其中一种新的细菌Candidatus#39;Methylomrabilis oxyfera#39; 3CO210H2O）。 Haroon等人 （2013） （反应2：8NO—3 2CH4/ 8NO—2）发现了一种新型古细菌，属于ANME-2d簇的Candidatus#39;Methanoperedens nitroreducens#39;，它能够将硝酸盐还原为亚硝酸盐。 2CO24H2O，命名为DAMO古细菌）。[这部分不通，不能直接采用翻译软件翻译，要检查是否语句通顺。] DAMO在厌氧条件下的废水处理中的应用已经在几个实验室规模的研究中有记录（蔡等人，2015; 施 等人，2013; Xie等，2016），同时去除废水中的硝酸盐/亚硝酸盐和铵。 然而，DAMO过程尚未研究从地下水中去除硝酸盐，其中不仅含有硝酸盐，而且还含有一定量的氧气（在浅层地下水中浓度达到其饱和水平（〜9mg / L））（Datry等人，2004; Schnobrich等人，2007）。 除非通过预处理步骤去除氧气，否则DAMO过程无法在严格的厌氧条件下进行，但更有可能在有氧条件下进行。 这种氧污染对微生物群落的潜在影响尚不清楚，必须进行评估。
本研究的目的是通过将DAMO微生物包含在膜生物反应器（MBfR）中来探索从含氧地下水中去除硝酸盐的可行性。 为了达到这个目的，一个实验室规模的MBfR接种了含有古细菌DAMO和细菌DAMO的共培养物，并通过中空培养物和含有硝酸盐和氧气的合成地下水供给甲烷。 此MBfR设计之前已被证明能够有效地从废水中去除硝酸盐和铵（蔡等人，2015; Schnobrich等人， 2007; Shi等人，2013; Xie等，2016）。 为了获得中空纤维膜上的生物膜生长，反应器在严格厌氧条件下运行9个月（启动阶段），然后用含有硝酸盐和氧气的合成地下水在不同的水力停留时间（HRT）下进料。 连续监测硝酸盐去除性能。 在操作结束时进行批次测试以验证硝酸盐去除过程中涉及的反应。 此外，还使用16S rRNA基因扩增子测序和荧光原位杂交（FISH）分析微生物群落，所述微生物是涉及硝酸盐去除过程的关键微生物甲烷作为碳源被披露。 我们的结果有望帮助开发利用甲烷为基础的MBfR系统从地下水中去除硝酸盐的过程。
2.材料和方法
2.1.实验装置
实验室规模的MBfR工作体积为800 mL（高200 mm，内径80 mm），通过将甲烷作为唯一碳源通过空心膜输送去除硝酸盐（图S1，支持信息） 。 将八束复合中空纤维膜（内径200mm和外径300mm）固定在反应器中。 每束由64个长度为300毫米的束组成。 反应器内总共512个反应器给出了膜表面积为0.145m2，因此膜表面/反应器体积比为181m2/ m3（表S1）。 每束空心杯具有U形弯曲并且末端连接到气瓶（澳大利亚Coregas的95％CH4和5％CO2）。 通过与气瓶连接的气压调节器（Ross Brown，澳大利亚）将所有空心管腔内的气体压力调节至150kPa。 将溢流瓶连接到反应器以释放放射性物质，产生的气体或未使用的废气。 使用磁力搅拌器（500rpm，Labtek，澳大利亚）向MBfR系统中的大容量介质提供混合。 为了进一步改善水力条件，使用蠕动泵（Masterex，USA）和Tygon E-Lab管（内径3.1mm，Masterex，Cole-Parmer）使液体再循环，其操作进一步描述如下。 通过手动注入1M HCl或1M NaOH溶液将反应器中的pH保持在7和8之间。 反应器在温度控制的实验室中运行，温度保持在22plusmn;2○℃。
2.2.接种物和模拟进水成分
MBfR用150mL接种物接种，所述接种物取自饲喂硝酸盐，铵和甲烷的亲本DAMO /厌氧氨氧化反应器（Haroon等，2013）。 在接种时，母体反应器的平均硝酸盐去除率为〜25 mg N / Ld，其中DAMO古细菌，DAMO细菌和厌氧氨氧化细菌共同支配这种培养。
（g / L）：KH2PO40.038，MgCl2.6H2O 0.008，CaCl2.2H20.015，含有50mg N / L硝酸盐。 微量元素组成为：FeSO41.085，ZnSO4.7H2O0.034，CoCl2.6H2O0.06，MnCl2.4H2 O 0.25，CuSO4.5H2O 0.26，NiCl2.6H20.047，H3BO40.007，NaWO4.2H2O 0.01，NaMoO4 0.048，SeO20.013）（Ettwig等人，2009).
2.3.MBfR操作
MBfR运行457天，分两个阶段，即启动阶段（阶段I，272天）和运行阶段（阶段II，185天），如表S2所示。 在阶段I中，为了富集生物质并实现中空膜膜上的生物质附着，反应器维持在与母体反应器类似的厌氧条件下。 向反应器中提供硝酸盐
通过手动加入浓缩的硝酸盐溶液，每次加入使初始浓度为40e140mg NO3-N /
L.在第二阶段，灌肠剂（恒定硝酸盐浓度为100mg / L）
〜50 mg N / L）用蠕动泵（Watson-Marlow）连续供给MBfR。 流入流量逐步增加，导致HRT从5降低到0.7 d。 为了模拟地下水，未使用氮气
去除溶解氧（DO）。 灌注液中的DO浓度约为7e9 mg / L。 在第二阶段，再循环系统从第320天开始，其以100mL / min的流量传递外部再循环。 每天从溢出瓶中取出Efuent样品（图S1）以监测硝酸盐，亚硝酸盐和铵的浓度。 另外，在限氧条件下甲烷氧化可能产生中间体定期监测条件（每周2e3个样本）在整个实验期间。 通过使用气密玻璃注射器（SGE，澳大利亚）检测反应器顶部空间中的气体样品以检测气相中的甲烷量; 还采取液体样品来测量液相中溶解的甲烷的量。 用pH计（澳大利亚Oakton）和DO计（Hach，澳大利亚）分别连续监测pH值和DO浓度。
2.4.质量平衡的分批试验
进行批次测试以研究MBfR中的潜在反应以测量阶段结束时的硝酸盐和甲烷消耗以及反应中间体的可能积累
II。 在这个阶段，生物量主要生长在膜表面并且附着在它们上面，介质中的悬浮生物量可以忽略不计。 为了测量甲烷消耗量，将反应器从气瓶断开以停止甲烷供应。 新鲜制备的培养基用甲烷气体（95％甲烷和5％二氧化碳）喷射30分钟，流量为600mL / min，确保培养基被甲烷饱和（〜21mg / L）。 然后更换MBfR的液相并用这种甲烷饱和的液体介质填充。 批次A进行12小时以验证在厌氧条件下MBfR中是否存在厌氧反硝化厌氧甲烷氧化（没有提供氧气）。 在此期间分别采集七种气体和七种液体样品，分别监测甲烷和硝酸盐的消耗量。 批次B运行12小时以验证在限氧条件下的甲烷部分氧化。 通过氧气渗透管（Tygon E-Lab管，内径3.1mm，Masterex，Cole-Parmer）以0.5mg O2/ Lh的速率提供有限的氧气12小时。 在硝酸盐缺乏和氧气限制条件下监测反应中间体的甲烷转化和可能的积累，在此期间收集七种气体和七种液体样品。 在批次B完成之后，批次C立即进行以验证异养脱氮之前是否使用来自批次B产生的甲烷氧化的中间体。在批次B结束时和批次C之前，将纯二氮气从反应器中用于反应器中30分钟以去除系统中的残留甲烷（由甲烷测量确定）。 然后手动注入硝酸盐储备溶液以获得25mg NO—3-N / L的初始浓度，并且通过取7个液体样品在3小时期间分析硝酸盐和亚硝酸盐来监测硝酸盐还原。
2.5.化学分析
使用Lachat QuickChem8000流动注射分析仪（Lachat Instrument，Milwaukee，WI）测量硝酸盐，亚硝酸盐和铵的浓度。 使用配备有极性毛细管柱（DB-FFAP）和含10 v / v％甲酸作为内标的ame电离检测器（FID）的气相色谱仪（7890A，Agilent Technologies）测定VFA。 在配备有Porapak Q柱和热导检测器（TCD）的气相色谱仪（Shimazu，日本）上分析气相中的甲烷。 在装备有Supelco 6英尺times;1/8英寸不锈钢填充柱（Hay-eSep Q 80/100）和FID检测器的Agilent 7890A气相色谱仪上测量液相中的溶解甲烷。
2.6.DNA提取和16S rRNA基因测序
除了接种物之外，还在第271天和第457天收集生物膜样品，当MBfR分别在第一阶段和第二阶段中实现稳定的硝酸盐去除。 根据制造商的说明，使用FastDNA SPIN for Soil试剂盒（MP Biomedicals，USA）提取生物质样品的基因组DNA。 通过NanoDrop 2000（Thermo Fisher Scientic，Wilmington，DE，USA）定量DNA浓度。 通用引物组926F（50-AAACTYAAAKGAATTGACGG-30）和1392R（50 -
ACGGGCGGTGTGTRC-30）用于扩增16S rRNA基因。
使用QIAquick PCR纯化试剂盒（Qiagen）和Quant-iT dsDNA HS分析试剂盒（Invitrogen）纯化和定量PCR产物。 将样品提交给澳大利亚生物组学研究中心（澳大利亚布里斯班），并根据制造商的方案在Illumina Miseq平台（Illumina，USA）上进行测序。
将原始测序数据与Trimmomatic解复用，并且修剪和去除嵌合序列。 在上述质量控制过程之后，总共获得了197,690个质量序列。 之后，将具有97％相似性的高质量序列通过QIIME以默认设置聚类为操作分类单位（OTU），然后使用Greengenes 16 S rRNA数据库（DeSantis等人， 2006）。 分类分类和OTU代表序列在OTU表中输出。
2.7.荧光原
全文共20369字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[9787]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
