冬季低温下MBR与CAS工艺运行及微生物群落特征

研究了在冬季低温条件下,膜生物反应器(MBR)与传统活性污泥法(CAS)工艺运行效果及微生物群落特征的差异,对工艺出水水质和微生物活性进行了分析,并借助454焦磷酸高通量测序法对微生物群落组成和结构进行了解析.结果表明,三套对比工艺(MBR两套:高污泥浓度R1和低污泥浓度R2,CAS工艺R3)的出水总氮平均去除率分别为85.2%、56.1%、58.8%;NH+4-N的平均去除率分别为99.7%、99.7%、59.7%,比硝化速率由大到小依次为R2、R1、R3,比反硝化速率由大到小依次为R3、R1、R2,高浓度MBR污泥具有较好的耐寒特性和氨氮去除效果;从454焦磷酸测序结果看,相似性为97%时,菌群丰富度:R2>R3>R1,多样性:R2>R1>R3;MBR污泥微生物菌群的组成和丰度与CAS系统有较大不同;R1、R2、R3中主要的硝化菌为Nitrospira菌属,总相对度依次为:1.22%、1.64%、0.15%,主要的反硝化菌为Zoogloea菌属、Thauera菌属、Comamonadaceae菌属及Comamonas菌属,总相对丰度依次为:5.8%、4.52%、15.21%;低温环境下,泥龄长、污泥浓度高、TN负荷低的MBR系统有利于硝化、反硝化细菌累积,提升生物脱氮效果.     

夏季东海和南黄海一氧化碳的浓度分布、海-气通量和微生物消耗研究

于2013年7月对东海和南黄海海水中CO的浓度分布、时空变化、海-气通量和表层海水中CO微生物消耗进行了研究.夏季东海和南黄海大气中CO的体积分数范围为68×10-9~448×10-9,平均值为117×10-9(SD=68×10-9,n=36),呈现出近岸高、远海低的特点.夏季东海和南黄海表层海水中CO的浓度范围为0.23~7.10 nmol·L-1,平均值为2.49 nmol·L-1(SD=2.11,n=36),CO的浓度受太阳辐射影响明显;不同站位CO浓度的垂直分布特征基本相同,CO浓度最大值一般出现在表层,随深度增加CO浓度迅速减小.夏季东海和南黄海海水中CO浓度具有明显的周日变化,最大值是最小值的6~40倍.各层最大值基本出现在中午,最小值基本上出现在凌晨前后.CO明显的周日变化特征进一步证明海水中CO主要由光化学产生.调查期间东海和南黄海表层海水中CO相比大气处于过饱和状态,过饱和系数变化范围为1.99~99.18,平均值为29.36(SD=24.42,n=29),表明调查海域是大气中CO的源.调查期间CO的海-气通量变化范围为0.37~44.84μmol·(m2·d)-1,平均值为12.73μmol·(m2·d)-1(SD=11.40,n=29).调查海域CO的微生物消耗培养实验中,CO的浓度随时间增长呈指数降低,消耗过程符合一级反应的特点,微生物消耗速率常数KCO范围为0.12~1.45 h-1,平均值为0.47 h-1(SD=0.55,n=5),微生物消耗速率与盐度之间有一定的相关性.     

低温复合菌剂对牛粪堆肥发酵影响的研究

为了探明低温复合菌剂对牛粪堆肥发酵的影响,开发出适合东北寒区堆肥发酵的微生物菌剂.本研究在0℃以下以牛粪、秸秆为原料,分别设置接种低温复合菌剂堆肥、接种常温菌剂堆肥和自然堆肥3个处理,测定了堆肥过程中温度、p H、C/N、全磷、铵态氮、硝态氮和种子发芽指数的动态变化.试验结果表明,接种低温复合菌剂组第11 d进入高温期(50℃),比接种常温菌剂组提前了14 d,最高温度达62℃,高温期维持了9 d,而自然堆肥组一直未进入高温期.至堆肥结束时,接种低温复合菌剂组和接种常温菌剂组的最终p H分别为7.17、7.24;C/N均降到20以下,分别为16.10、15.67;全磷的变化无明显差异;种子发芽指数分别为92%和85%.添加菌剂组较自然堆肥组铵态氮含量明显降低,硝态氮含量增高.综上所述,接种低温复合菌剂可以在低温下促进堆肥迅速起温,并保证了堆肥的腐熟质量.     

有机无机缓释复合肥对不同土壤微生物群落结构的影响

缓控释肥料作为一类新型肥料已成为近年来的研究热点,但对土壤微生物群落多样性影响规律的研究甚少.研究采用磷脂脂肪酸法分析缓释复合肥(SRF)、化肥(CF)和普通复合肥(CCF)分别施入酸性土和微碱性土恒温培养10、30、60和90d后的微生物群落结构多样性.结果表明,缓释复合肥等肥料施入2种土壤恒温培养(10~90 d)后检测到多种细菌(13:0,i14:0,14:0,i15:0,a15:0,i16:0,16:12OH,16:1w5c,16:0,i17:0,a17:0,cy17:0,17:02OH,i18:0,18:0,cy19:0w8c),2种放线菌(10Me17:0和10Me18:0)和1种真菌(18:1w9c).SRF在酸性土壤培养前期(10 d和30 d)较CF显著增加真菌PLFA含量8.3%和6.8%,在培养后期(60 d和90 d)较CCF显著增加真菌PLFA含量22.7%和17.1%;SRF较CF和CCF显著增加微碱性土壤在整个恒温培养期(30 d除外)土壤细菌、真菌和革兰氏阳性菌PLFA含量.酸性土壤培养30 d和90 d时一般饱和脂肪酸/单烯不饱和脂肪酸PLFA值以SRF显著高于不施肥(CK)、CF和CCF,而在微碱性土壤上SRF仅在恒温培养60d时显著高于CK、CF和CCF;SRF较CCF显著降低酸性土壤(30~90 d)和微碱性土壤(10~60 d)异构PLFA/反异构PLFA值.从2种土壤PLFA种类、含量以及相对丰度等可知缓释复合肥较化肥和普通复合肥提高了土壤微生物PLFA种类和含量以及减弱对微生物生存环境的胁迫,缓释复合肥在2种土壤中尤其对酸性土的作用明显.通过研究缓释复合肥对土壤微生物群落结构多样性的影响,以期为农业生产上广泛施用缓释复合肥提供科学依据.     

三峡库区典型消落带土壤微生物生物量碳、氮的变化特征及其影响因素探讨

本文以三峡库区王家沟一典型消落带为研究对象,选择180、175、165和155 m这4个高程以探讨水位变化对土壤微生物生物量碳(SMBC)和微生物生物量氮(SMBN)的影响.其中,175、165和155m高程坐落在消落带内,分别表现为短、中和长期淹水,180 m高程作为对照,为永不淹水的陆地.土壤样品的采集深度为0~20 cm,每周采集一次.结果表明,180 m高程处土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)均无明显的季节变化,而175 m高程处SOC和TN季节变化明显,表现为春夏季高于秋冬季;各高程上的SMBC和SMBN及其分配比例呈现出秋高夏低的季节变化形态,表明消落带夏季高温低湿的土壤环境限制了微生物活性及土壤有机碳氮的周转速率.数据分析表明,与180 m高程相比,消落带上的175 m和165 m高程SOC、TN、SMBC及微生物商、SMBN及其分配比例均得到不同程度的升高,而155 m高程除了SMBN及其分配比例与对照无显著差异外,其他指标均显著低于对照,表明与未淹水对照点相比较,中短期淹水有利于提高消落带土壤碳氮含量及周转速率和微生物生物量,而长期受到江水淹没胁迫的土壤则会抑制土壤碳氮以及SMBC含量,并降低SOC的周转速率.相关分析表明,SMBC和SMBN均与地下5 cm处温度和p H呈极显著负相关,说明地下5cm处的温度以及p H对土壤微生物生物量有强烈的影响.     

以预处理剩余污泥为燃料MFC产电性能及不连续供电的可行性

为探讨微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理经预处理后剩余污泥的可行性以及不连续供电能力,采用双室MFC,以剩余污泥热处理上清液为基质进行启动和运行,通过改变电池阴极电子受体而导致电势差变化来监测其产电的运行稳定性.结果表明,反应器以氧气作为阴极电子受体148 h后启动成功,最大输出电压0.24 V,将阴极电子受体换为铁氰化钾时,能获得0.66 V的最大输出电压和4.21 W·m~(-3)的最大功率密度.当将阴极电子受体分别替换为氧气或者开路,又转换为铁氰化钾后,电池输出功率恢复迅速,电池对有机物去除效率基本不受影响,对化学需氧量(COD)、氨氮去除效率分别达70%和80%.本研究表明,利用预处理剩余污泥进行MFC处理和产电是可行的,可获得较高的功率密度,同时MFC可以实现不连续供电.     

饥饿对硫自养反硝化反应器生物群落结构的影响

采用颗粒硫磺/白云石和黄铁矿/白云石自养反硝化反应器处理二沉尾水,探究饥饿忍耐对反应器去除效果、微生物群落变化的影响及其性能恢复时间.结果表明,在12~14℃的低温条件下,经过30 d的不进水饥饿忍耐后,颗粒硫磺/白云石和黄铁矿/白云石反应器出水NO_3~--N浓度分别从1.78 mg·L~(-1)、11.32 mg·L~(-1)增加到27.87 mg·L~(-1)、26.56 mg·L~(-1).颗粒硫磺/白云石和黄铁矿/白云石自养反硝化反应器分别在重启后的第5 d和11 d使得NO_3~--N去除性能恢复至饥饿前的水平,并且在低温条件下保持了良好的脱氮效果.MiSeq高通量测序结果表明,2个反应器的细菌群落的丰度和多样性饥饿期均低于恢复期,且优势菌门均为Proteobacteria,主要的纲类为β-Proteobacteria.硫磺/白云石反应器中鉴别出Thiobacillus菌属为主要反硝化类群.     

湿地基质及阴极面积对人工湿地型微生物燃料电池去除偶氮染料同步产电的影响

本研究采用人工湿地型微生物燃料电池处理偶氮染料X-3B,实现降解偶氮染料同步产电的效果.为了构建性能最优的人工湿地型微生物燃料电池(CW-MFC)系统,本研究主要从湿地基质和阴极面积两个方面研究系统构型对去除X-3B同步产电的影响,提高系统性能.研究表明以粒径10 mm、孔隙率30%的小石子作为湿地基质构造的CW-MFC系统微生物生物量最大,去除X-3B效果最好,脱色率高达92.70%,但其产电性能最差.较小的粒径和孔隙率使底层微生物生物量增加,促进X-3B的去除,但随着湿地基质粒径和孔隙率的减小,导致阴阳极营养物质不足,系统传质阻力增加,抑制了系统产电性能.X-3B的去除效果随着阴极面积的增加而提高直到阴极面积为594 cm~2时取得最大脱色率99.41%.当阴极面积继续增加时,CW-MFC系统产电性能上升趋势趋于平缓,X-3B去除效果呈现下降趋势,这是因为阴极反应过快导致更多的阳极电子输送到阴极用于产生电流,与X-3B发生反应的电子减少,阳极成为提高CW-MFC系统性能的限制因素.     

SCAR处理城市生活污水的效能及其微生物群落动态分析

利用强化循环厌氧反应器(SCAR)处理模拟城市生活污水,研究不同负荷条件下的反应器运行特征、污泥特性及微生物种群结构.结果表明,水力停留时间(HRT)为6 h可以作为反应器高效运行的关键控制参数,该条件下污水化学需氧量(COD)去除率达到75%以上.随着反应器容积负荷的逐渐提高,颗粒污泥中辅酶F420和产甲烷活性(SMA)逐渐增加,胞外聚合物(EPS)含量也不断提高,其中紧密黏附EPS(TB-EPS)含量的增加尤其明显.厌氧颗粒污泥性状和反应器对污染物的去除效率同时受到污泥负荷和HRT的影响,微生物的群落结构及其在反应器中的空间分布也受到污泥负荷的影响,不同代谢特征微生物在反应器不同空间位置的相对丰度随着污泥负荷的调整而改变.     

纸板碳化电极提高生物电化学系统产电效率微生物机理研究

采用Solexa高通量测序技术和蛋白定量方法,分析了碳化纤维素纸板制备的层状波纹碳(LCC)电极与石墨板(GP)电极在生物电化学系统运行过程形成的生物膜微生物群落结构和生物量差异.结果表明,LCC电极良好的生物电化学性能不仅取决于其良好的导电性能,还与其表面生物膜微生物群落结构有关;LCC电极表面生物膜微生物量高,且对产电微生物的富集效果好.LCC电极与GP电极表面生物膜分别得到16S rRNA基因V3区优化序列12643条和12837条,经97%相似度归并后获得的OTUs数量分别为2786和3130;α多样性分析显示,GP电极生物膜微生物多样性相对更丰富.Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes在两种电极生物膜中含量最为丰富,这3个门细菌序列数分别占总序列数的76%(LCC)和85%(GP).在属分类水平上,LCC电极生物膜由383个属的细菌构成,而GP电极生物膜则有456个属.深入分析电极生物膜微生物群落结构有助于进一步认识LCC电极提高生物电化学系统产电效率的机理.