在中试规模的浮萍基废水处理系统增加一个载体对微生物群落和脱氮作用的影响的研究外文翻译资料

在中试规模的浮萍基废水处理系统增加一个载体对微生物群落和脱氮作用的影响的研究

重点：

增加一个载体不会影响浮萍的生长和组成。

在一个浮萍系统中增加一个载体会增加脱氮的效果。

焦磷酸微测序技术测定浮萍系统的微生物群落。

浮萍生物膜上丰富的脱氮微生物增加脱氮效果。

构建一个有效的携带大量微生物的脱氮浮萍系统。

摘要：

在一个中试规模的浮萍基废水处理系统加入一个载体固定并增加微生物。这个系统和另一个相同的没有载体的浮萍基系统一起使用1.5年。结果显示，增加载体的浮萍基系统不会明显的影响浮萍的生长和组成，恢复总氮，总磷，CO²或排除总磷的能力。然而，这个系统明显地增加了排除总氮和NH⁴ -N的能力和效率（分别达到19.97%和15.02%）。经454焦磷酸微测序显示，一个系统中不同组分中的微生物群落有巨大的区别并且两个系统中相同组分的微生物群落有相似性。载体生物膜的细菌种类和硝化细菌的相对丰度(3%)和反硝化细菌（红环细菌占24%）最高，这增加了该系统的脱氮能力。构建一个有大量的微生物的有效地脱氮的浮萍系统。

1. 简介

过量的营养，例如过量的氮和磷导致水污染和富营养化。传统的处理系统，比如活性污泥，是从废水中除去营养物质的最常用的技术。然而，这项技术在发展中国家（例如，中国）是有局限的，因为它的成本高，技术复杂。水生植物（例如水葫芦，浮萍和水生菜）越来越受到关注，并且被认为在清除污水的营养方面具有巨大的潜能，因为它们的生物量很高，容易操作并且成本低效益高。

浮萍，一种漂浮的小的水生的浮萍科植物，被认为有净化污水的作用，尤其是清除营养物质的作用。这种植物在清除营养物质方面比其他水生植物好，因为它能有效地把营养物质转化为有价值的生物量，例如蛋白质和淀粉。因为浮萍的蛋白含量高（大于40%），它已经被用作鸭子和其他动物的饲料。在实验室内和室外，浮萍的蛋白质含量也能大于浮萍的湿重的45%，这使得它成为一种可行的生物乙醇原料。

DS的主要机制是浮萍吸收氮，通过这个过程，消除富营养化。Korner 和Vermaat 曾经报道，流失的总氮和总磷的约3/4是被浮萍吸收的。另外，在DS中，微生物可以降低营养物质含量。然而，微生物的作用有限，因为浮萍有小根系而且微生物容易随着废水流失。在之前的研究中，我们发现，虽然浮萍和水葫芦的总氮恢复速率相同，但水葫芦清除总氮的效果更好，因为它有更广阔的根系以及在它的根系上有大量的硝化细菌。因此，如果人工根（例如塑料载体）填充到DS中可以弥补浮萍的小根系的不足并可以固定微生物，DS的性能也许可以提高，甚至优于一个水葫芦系统。不幸的是，这类工作很少被报道，尤其是中试规模。对一个含有人造根系的DS的微生物群落和功能微生物的了解还很少。

因此，这个工作可以通过在DS中增加一个载体，固定微生物以及提升清除营养物质的效率，调查这个系统的微生物群落（包括污水，底部的污泥，浮萍的根系和载体生物膜），用浮萍组合构建一个有效的污水处理系统并增加微生物。

1. 方法
   1. 位置和中试系统

这个实验用两个相同的中试系统，在离中国的昆明的30千米远的滇池的东边100米处进行（纬度24^。51^，N，经度 102^。47^，E，海拔1888米），昆明市属于亚热带高原，季风气候，并且平均月气温范围在7—20^。C和平均日光每年2400小时。

两个中试规模系统的水平部分（a）和垂直部分（b）：浮萍基的载体系统（DCS）和浮萍基系统在图1中表示出来。每个系统都是混泥土制成的墙,包括四个相连的相同的池塘（从入口到出口有P1，P2，P3，P4），每个池塘的占地17平方米（6.2米长*2.75米宽*1.7米高），每个池塘的水的体积为25立方米（水深1.5米）。为了避免污水的循环时间太短并且为了提高上层水和底层水的交换，P1和P2以及P3和P4之间的连接通道在池塘的底部，P2和P3的连接通道在池塘的顶部。在实验之前，把60根长1.3米，宽0.15米的塑料弹性载体匀称，对称的加入每个DCS的池塘里。

图1.污水处理系统的垂直部分（b）和水平部分（a）

• 1. 操作和取样

首先，DCS和DS都灌满滇池水并且收集和培养来自附近污水中的浮萍（Lemna japonica 0223），把浮萍引入2个系统的8个相同的池塘中。L. japonica 0223是Elias Landolt 分类，我们在成都生物研究院和Rutgers University的访问网页上发现的。浮萍接种的密度为鲜重412.5mg/m²。每个系统，用工业污水和农业废水种植浮萍；每天使用潜水泵在每个系统的P1中泵入4m³混合污水，大约持续2小时。为了确保水的深度维持在1.5米，从P4流出的经过处理的废水（使用虹吸技术）同时流入P1（见图1）。这个实验的一个周期维持1.5年多（例：2012.6.15—2013.11.7）。为了确保载体的表面形成一个稳定的生物膜以及两个系统处于一个稳定的状态，选择从2012年7月到2013年7月，综合研究比较这两个系统。把时间分成冬天（2012.11.7—2013.1.7），春天（2013.1.8—2013.5.7），夏天（2013.5.8—2013.8.7）以及秋天（2013.8.8—2013.11.7），以作为季节性比较。

每隔一天在每个系统的污水进口和出口处监测和收集污水样品。测定浮萍的生物量，每4天收获一次：把5m²的内部面积为0.1m²的漂浮物（使用PVC管，Phi;20mm）释放到池塘的表面，采集区域内的新鲜的浮萍，脱水（使用洗衣机）然后称重，计算出新鲜浮萍的密度（g/m²），同时收集了多余的浮萍。收割后，残留的浮萍的最大密度也维持在接种时的密度（412.5mg FW/m²），样品浮萍的鲜重（约200g）按照xiao等（2013）的方法测定。

• 1. 使用454焦磷酸微测序分析微生物群落

从2013年6月18日开始，在浮萍根系（RS），水面（SW），水底（BW），底泥（BS），载体生物污泥（CB）采集无菌样品。根基的取样法是，收集的浮萍用无菌的超纯水清洗两次，剪断根部，无菌放置。均匀的混合取自每个系统的四个水塘的根，取20mg的混合根提取DNA；各取每个系统的四个池塘的表面的水和底部的水样10ml，分别混合每个系统的水（每个系统的混合水是40ml），收集沉淀物，提取DNA；在每个池塘取载体生物膜上的污泥和底泥 5mg，分别混合每个系统的底泥提取DNA（每个系统的底泥一共20mg）。所有样品的DNA使用E.Z.N.A^TM土壤DNA试剂盒提取。DNA作为扩增16S rRNA基因的模板，用细菌的通用引物（799f：1492r）以及Chelius和Triplett描述的方法（2001）扩增16SrRNA。PCR产物送到上海美吉生物医药科技有限公司用罗氏GS FLX454焦磷酸测序平台测序。测序前，进行PCR产物的提纯，量化，使集中在相同的浓度。修饰原始序列，然后聚集在具有97%的相似度的OTUs上。最先除去的是那些小于200bp并且质量数〈25的DNA序列。从每个OTU中选择一个代表序列，使用BLAST以0.001为最大电子值进行分类鉴定，用MOTHUR程序计算Chao1和ACE的丰富度以及Shannon的种类，使用曼哈顿距离进行聚类。基于加权的uni—Frac 距离被用于量化种群的差异。含有共同和独特的OUTs的Veen图被用来描述同一个系统中的样本之间的相似性和差异性。

• 1. 分析方法

干重生长速率（g/m²/d）=Delta;干重/17m²/4d

水分含量=（1-干重/鲜重）*100%

恢复速率（g/m²/d）=内容物*干重生长速率

去除率（g/m²/d）=进水浓度-出水浓度）*4m³/d/78m²

去除效率（%）=（进水浓度-出水浓度）/进水浓度*100%

提高的效率（%）=（DSC的去除率-DS的去除率）/DS的去除率*100%

每10min，使用ZDR-2 W14在线记录器（ZedaInstrument Co.,China）记录温度和光照度。

使用重铬酸钾氧化干燥的浮萍测定有机碳。氮，粗蛋白和磷的测定使用Xiao等（2013年）的方法。

在该研究中，污水的NH⁴ -N，NO^3—-N，NO^2—-N和TP使用Xiao等（2013年）的方法以及TN=NH⁴ -N NO^3—-N NO^2—-N。溶解氧（DO）和PH使用仪器 PH/Oxi 340i（WTW，德国）测定。浊度使用WGZ-1A浊度测量仪测量（中国上海新锐仪器仪表有限公司）。

使用SSPS（15.0版本，SSPS统计软件公司，美国）进行数据分析，检验每个处理的变量的显著差异以及方差分析，置信度是95%。（如图2）

图2：浮萍基载体系统（DCS）和浮萍基系统的光照度和温度对浮萍基生长速率的影响

1. 结果和讨论

3.1 生长速率和浮萍组成

如图2，在一年的任何月份，DCS和DS之间的浮萍的生长没有区别。在一年里，随着温度和光照度的改变，两个系统的浮萍表现出相同的特征。温度是影响浮萍生长的主要因素。最冷的月份（比如1月），平均气温是11.7℃，平均水温分别是9.8℃，DCS和DS中的浮萍的最小生长速率分别是3.44和3.27g DW/m²/d。此后，浮萍的生长速率随着温度的升高逐渐增加，在6月份达到最高（DCS和DS分别是8.88和8.94g DW/m²/d）。虽然在6月，7月，8月，平均气温和水温（大约为22.5℃）大致相同，但是可以观察到，从6月到8月，浮萍的生长速率迅速降低，这可能是因为光照强度从6月份的509mu;mol/m²/s 降到8月份的424mu;mol/m²/s。这个发现说明，气温，水温和光照强度对浮萍的生长影响非常大。从8月份开始，随着温度下降，浮萍的生长速率持续降低。整整一年，DCS和DS的平均生长速率分别是6.01和6.10 g DW/m²/d。 研究结果显示，浮萍的生物量比Reddy和Debuck（1985）的实验结果（在温暖的月份，Lemna spp的生长速率是4.7-6.0g DW/m²/d，寒冷的月份里，生长速率是1.5-3.7g DW/m²/d）高，虽然已经报道过（MKandawire and Dudel，2007）Lemna app的生长速率更大，但是这些数据都是在控制变量的情况下，短期或者小区域内测定的。最近的研究显示，浮萍在污水中生长1年，生长速率随着温度和光照强度变化。

此外，新鲜的浮萍或干燥的浮萍的粗蛋白，磷酸盐，碳的含量在一年的任何一个月都是一样的（表1）。浮萍的水分含量和温度有关（图2），最寒冷的月份，水分含量最低（约90%），比较温暖的月份（6，7，8月）含水量约为92.6%-93%。粗蛋白的含量和水中NH₄ -N的含量有关。例如，在冬天和春天（从11月—3月），粗蛋白的含量约为35%，这段时间，进口和出口的NH₄ -N的含量最高。已经报道过，浮萍中粗蛋白的含量和水体中NH₄ -N的浓度有正相关性（Culley和Epps，1973；Leng等，1995）。以前的研究显示浮萍中的磷酸盐的含量变化范围大（Alaerts等，1996；Culley和Epps，1973；El-Shafai等，2007）。最近的研究发现，在一年的任何时候，并没有检测到显著的差异（每月的平均变化范围在1.2%-1.6%），这可能因为进水口和出水口的磷酸盐的浓度稳定（表2），因为浮萍中磷酸盐的浓度和水中磷酸盐的浓度有关（Culley和Epps，1973）。局部的或全面的研究报道显示，粗蛋白的含量为20-35%，磷酸盐的含量为0.48-0.88%（Alaerts等，1996；Culley和Epps，1973；El-Shafai等，2007）。相比之下，最近的研究显示，粗蛋白和磷酸盐的年平均含量分别超过35%，1.48%。更重要的是，这个研究显示，在一年里收集的数据（含水量，粗蛋白，磷酸盐，碳含量）显示，影响浮萍组成的因素很明显。

夏天，增多浮萍基的载体不会明显的影响浮萍的生长和组成。一年中，浮萍的生长和组成和温度，光照强度和水有关。明确的是，浮萍的生长与温度和光照强度有关，粗蛋白的含量和水中NH₄ -N的浓度有关。

• 1. 污水处理系统

实验期间，进水口的NH₄ -N和TP的平均含量分别是大约18和3.5mg/L（表2）。和冬天和春天相比，在夏天和秋天，进水口的NH_4<!--

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