氧含量的影响没有删除和混合催化膜生物膜反应器的微生物群落

文摘

氧含量的影响没有删除和微生物群落的混合催化膜生物膜反应器(HCMBR)调查。没有去除效率达到84.8%,85.1%,94%和94.5%,氧含量为2%,6%,10%和17%在烟气(H₂H₆H₁₀和H₁₇),分别。没有去除氧含量的增加而增加。

反硝化作用在H占主导地位₂H₆;同步硝化和反硝化作用发生在H₁₀H₁₇。氧含量影响微生物群落在HCMBR 16 s rDNA所示,宏基因组测序方法。占主导地位的门是Fluviicola,Arcobacter,Brachymonas在H₂H₆H₁₀,而Brachymonas,denitrificans,vadinCA02在H₁₇。Fluviicola,Acrobacter,Brachymonas和Brachymonas主导脱氮剂H₂H₆H₁₀和H₁₇,分别。主坐标分析(PcoA)表示系统发生的结构H₁₀和H₁₇与H高度相似但不同的吗₂和H₆。典型相关分析(CCA)分类可视化氧含量依赖细菌属的区别。

关键字

氧含量;没有去除;微生物群落;催化;硝化/反硝化

介绍

氮氧化物(不_x烟雾粒子的重要前体,酸雨、光化学烟雾和对流层臭氧损耗、从化石燃料燃烧产生1]。中国没有_x排放在2015年达到1850万吨(2]。氮氧化物减少通过脱氮措施,如选择性催化还原(SCR),选择性非催化还原(SNCR)、臭氧氧化和吸收3]。可控硅的缺点,包括高成本、高能源的假设,泄漏的氨气和催化剂中毒已经提出了前所未有的挑战4]。生物技术是一种有效的烟气脱氮技术成本效益、低消费、无二次污染和简单的配置。生物处理没有_x删除可以分为bio-scrubber、bio-trickling过滤器、膜生物膜反应器和混合膜生物膜反应器催化,烟气脱硝的硝化和反硝化5]。

膜生物膜反应器为高效的传质和生物膜提供了特定区域大殖民尤其有利于疏水氮氧化合物(6]。中空纤维膜生物反应器用于没有去除由硝化/反硝化作用在温度20°C和55°C (7]。中空纤维膜生物反应器是稳定和高效去除,没有去除效率和消除能力成反比进气氧浓度(8]。抑制了脱氮氧浓度的增加,硝化/反硝化和关键细菌社区的动力学影响溶解氧浓度浓度(9]。没有bio-trickling去除效率过滤器显著增加,氧含量从4%上升到20% (19]。混合催化膜生物反应器(HCMBR),亲密的耦合膜催化硝化/反硝化作用,可以显著提高烟气(没有删除5]。烟气含氧量的中小型锅炉、工业锅炉、电站锅炉和变化不同。然而,在烟气氧含量的影响没有去除性能和微生物群落在HCMBR可能知之甚少。

这项工作的目的是研究除氧含量对一氧化氮的影响性能和微生物群落的混合催化膜生物膜反应器(HCMBR)。这项研究评估的影响硝化/反硝化作用和膜催化氧含量,并分析微生物多样性,细菌社区HCMBR评估16 s rDNA和宏基因组测序方法,它被认为促进HCMBR的应用。

材料和方法

实验的程序

实验N-TiO循环流动₂/ PSF混合催化膜生物膜反应器用于显示的研究是在我们之前的研究5]。氧硝化/反硝化的影响以及微生物群落的混合催化膜生物膜反应器(HCMBfR)评估在120 - d连续运行测试下氧浓度为2%,6%,10%和17%(四个不同阶段,H₂H₆H₁₀和H₁₇)浪费气体混合物(不,O₂和Ar)系统。

高通量测序数据分析

细菌群落组成和细菌的基因功能的混合催化膜生物反应器被16 s rDNA评估和高通量测序方法,并确定了殖民地的主要微生物总DNA提取的程序,聚合酶链反应(PCR)放大16 s rDNA、克隆和测序,计算相似性和多样性指数,分析社区的连续性的路线。测序图书馆是由内^®超™DNA库准备包Illumina公司(美国内)遵循制造商的建议和索引代码添加了。非度量多维标度(nmd)分析是一种常用的工具来比较两个复杂系统之间的相似和不同。由UCHIME嵌合体检测,由此产生的高质量的序列处理生成操作分类单位(辣子鸡)CD-HIT序列相似性阈值的97%。RDP分类器的分类任务执行的信心截止0.5。层次聚类分析进行了使用集群和可视化使用TREEVIEW和其他统计分析IEG管道(http://ieg.ou.edu)。

分析方法

Testo350烟气分析仪(德国服务)分析设备的测量精度1 ppm是用于分析的一氧化氮浓度。气体流速测量使用模型LZB-1流量计与单位的0.1 L分钟¹。液体流速测量使用模型LZB-1流量计单位为0.1毫升分钟¹。pH值是衡量一个模型pHB-3 pH测试单位为0.1(三新仪器公司、上海、中国)。溶解氧浓度是衡量YSI 550手持溶解氧仪现场更换YSI溶解氧探头(YSI环保公司,美国)。

结果与讨论

氧含量的影响没有HCMBR的降解性能

图1显示,氧含量对一氧化氮的影响去除性能HCMBR 120 - d的条件下连续运行测试洒45毫升min¹,没有进气浓度133.9毫克³、气体停留时间(GRT) 8.3秒在正常温度。四个不同的阶段观察到氧浓度为2%,6%,10%和17%(指定为H₂H₆H₁₀和H₁₇)。在低氧条件下(H₂),没有去除效率(重新)逐渐从1从64.5%上升到69.1%^圣一天3^{理查德·道金斯}的一天。后来,从4日到9日一天,维持在67.6% - -69.4%。在第一次9天,再保险波动5.0%,平均为67.9%。经过3天的急剧增加,重新变得更加稳定在接下来的6天建议更好的微生物驯化。再保险公司于10天至21日从71.9%上升到75.4%,进一步从22到30天从80.6%降至85.6%。这表明生物膜的形成对中空纤维膜表面逐步进行中,逐渐形成了一个稳定的微生物群落结构。但新形成的生物膜可能会阻止可见光并削弱了没有催化去除性能。因此,正如没有生物降解性能增强,没有催化降解性能会下降。高没有去除性能也可能归因于催化和生物降解的共同贡献。在低啊₂内容,脱氮的代谢途径可能是没有删除。当阿₂烟气中的内容增加到6%,在31日没有去除效率突然下降到80.2%^圣的一天。逐渐从31日从80.2%上升到84.5%^圣天到36^th的一天。从78.4%至85.3%来自37个^th52天^nd的一天。重新从53 77.7% - -82.1%的范围内波动^{理查德·道金斯}天到60^th一天平均为80.2%。尽管再保险频繁波动,平均相对高(81.0%)。

当阿₂内容进一步上升至10%,是61年突然增加到86.3%^圣的一天。再保险波动的范围从61年87.3%±2.0%^圣一天72^nd的一天。没有去除性能取得了进一步改善O₂内容增加。73年再保险突然增加到92.0%^{理查德·道金斯}一天和今后再保险略有波动的范围内91.7%±1.0%,直到81年^圣的一天。重新经历了一个从82年布鲁氏菌从86.8%减少到81.1%^nd一天90^th的一天。没有去除性能下降可能是由于催化剂失活后长期操作。再保险H₁₀远远高于H₆。当阿₂内容进一步上升至17%,较91年从81.0%上升到85.2%^圣一天92^nd的一天。再保险略有波动的范围内从92年84.9%±1.8%^nd一天122^nd的一天。这可能是由于氧气和硝酸盐co-respiration从而有氧脱氮剂可持续增长在有氧环境中(10]。HCMBR 17%啊₂内容没有表现出更显著的去除性能。

没有去除性能改进和实现稳定性逐渐在不同O₂内容。没有去除效率达到84.8%,85.1%,94%和94.5%的H₂H₆H₁₀和H₁₇分别;和消除功能(EC)是50.1,50.3,55.5,55.8 g m³h¹,分别。O₂内容高度导致更高的没有删除,这是由于好氧反硝化,异养硝化作用和催化氧化。催化的一氧化氮可能进一步提高没有去除性能和减轻膜污染11]。连续运行加强微生物驯化和适应性导致进一步改善没有删除。

氧含量对催化和生物降解的影响

氧含量对催化的影响和生物降解所示图2条件下洒45毫升min¹,没有进口的133.9毫克³气体停留时间(GRT) 8.3秒,氧含量为2%,6%,10%,17%。催化反应速率为0.62,1.19,0.17,和0.46毫克²h¹,生化降解率为1.08,1.36,1.89和2.86毫克²h¹不同氧含量为2%,6%,10%,17%。膜催化脱氮的量为0.53,1.0,0.15和0.4毫克h¹;生化脱氮的量为1.02,1.17,1.63和2.46毫克h¹氧含量为2%,6%,10%,17% HCMBR,另行规定。相比之下,氧含量高,生化降解速率越快,生化脱硝的数量越大,生化脱氮能力的HCMBR H₁₇H₁₀H₆是2.41,1.6,1.15倍的H₂,分别。它可以得出的结论是,加快硝化反硝化与烟气中氧含量增加。催化脱氮能力通常的顺序是:H₁₀< H₁₇< H₂< H₆。可能的原因是,在催化层生物膜覆盖增加与氧含量增加,导致光催化效率的下降。

氧气对微生物多样性的影响

的微生物多样性在不同氧含量(HCMBR H₂H₆H₁₀和H₁₇)被16 s rDNA排序测试评估。在H序列号码₂最高(208199),其次是在H₁₇(110571)。在H序列号码₆和H₁₀分别为22105年和29570年,远低于H₁₇和H₂。操作分类单位(辣子鸡)在H₁₇原来是最高(765),其次是H₆(545)。辣子鸡数字H₁₀和H₂分别为488和385。因此,微生物多样性在H₁₇是最高的,微生物多样性在H₂是最低的。曹国伟1指数辣子鸡的理论估计的数字。数值的顺序(1指标符合辣子鸡的数字。因此超1指数进一步证实了每个样本的微生物多样性程度。香农指数量化微生物群落的均匀度。香农指数H₁₇最高(4.70)最高指示均匀度序列任务,换句话说,每OTU H最高的序列号码₁₇。香农指数H₂是最低(4.24),因此微生物均匀度在H₂是最低的。辛普森指数H₆最高(0.938),而在H₁₇是最低(0.865)。因此,微生物群落在H₆表现出更好的均匀性和丰富性。特别是,观察到的物种的数量在H₆(545)相当于OTU号(545)。但观察到的物种的数量在其他样本偏离他们的辣子鸡数字。PD整个树索引在随后4样品也一致的数值趋势辣子鸡数字。

每个样本的相似性是可视化的主坐标分析(PcoA) (图3一)。大约95.16%的系统信息变化取决于第一个主要协调(PC1: 59.58%)和第二主坐标(PC₂:35.58%)。根据散射之间的距离,4样品可以分为3组:(1)H₂;(2)H₆;(3)H₁₀和H₁₇。H₂偏离了其他2组表明系统结构为2%₂内容非常不同于其他两组。H₆也显示相当大的空间偏离其他2组表明O系统结构为6%₂内容也大大不同的其他两组。H₁₀和H₁₇密切集群但偏离另两组表明系统结构在10%和17%啊₂内容相似但不同于其他两组。这个分组显示系统结构经历了3个层次的微生物的结构性转变,以应对氧含量变化。

所示的氧含量对微生物群落的影响是通过典型相关分析(CCA) (图3 b)。结果是在一个二维可视化图形解释71.6%系统信息(轴1:34.1%;轴2:37.5%)。的distances between the genera points in the diagram represented their similarity in relative abundance distribution across 4 samples. More precisely, shorter distance between 2 genera points indicated their relative abundance distribution underwent similar trend in response to O₂内容变化和他们一起经常发生。基于这些原则,细菌属被分为6组。O₂内容箭头指向的方向最大数值增加。硬币点可以垂直投影到线覆盖O₂内容箭头。这些预测可以用来近似最优O₂为每个属内容。O₂内容增加方向箭头还指出每个属的投影点的最适条件。最优啊₂内容vadinCA02是最高的,Xanthobacter是最低的。属较高的最佳O₂内容建议更O₂相关的。因此,前5 O₂依赖属是vadinCA02,Brachymonas,HA73,Comamonadaceae (f)和BA008 (f)而过去5 O₂依赖属是Xanthobacter,Brevundimonas,Fluviicola,枸橼酸杆菌属和Arcobacter。总之,PcoA O表示₂内容变化引起3微生物群落水平的系统转变。聚类结果显示属经历类似的相对丰度variationacross 4样本。CCA隐含系统转变的原因是憔悴和蓬勃发展的不同O₂属的依赖。当阿₂内容近似最优为一个特定的属,属蓬勃发展,反之亦然。

集群的19占主导地位的细菌属所示不同氧含量≥1%图4。4样本的聚类与分组PcoA结果是相一致的。H₁₇和H₁₀由于类似的系统结构,并进一步被聚集到一起和H分组吗₆,而在H系统结构₂不同于其他两组。细菌属相似的相对丰度4样本聚集在一起,表明O₂内容变化掌握类似影响细菌生长。聚类结果符合分析by16S rDNA测序。PcoA表示啊₂内容变化引起3微生物群落水平的系统转变。聚类结果显示属经历类似的相对丰度变化在4个样品。CCA隐含系统转变的原因是憔悴和蓬勃发展的不同O₂属的依赖。

氧细菌社区的影响

门级的相对丰度占主导地位的细菌拟杆菌门和变形菌门H₂H₆H₁₀和H₁₇变化的53.78%,44.52%,37.12%,34.08%;和36.22%,分别为31.93%,4.24%,40.03% (图5一个)。

拟杆菌门逐渐减少为O₂内容增加,这表明有氧环境中活动和竞争力下降。拟杆菌门干预在蛋白水解作用和氨基酸发酵醋酸和执行拟杆菌门脱氮剂(32]。拟杆菌门有关氮去除,也在同步脱氮细菌类群和污泥发酵反应器(13]。许多氮化物和脱氮剂是隶属于变形菌门(12]。在大量的增加变形菌门与阿₂增加显示内容变形菌门并不是严格厌氧或有氧属。下属音门的相对丰度厚壁菌门H₂H₆H₁₀和H₁₇变化的8.00%,5.66%,8.90%,10.48%。厚壁菌门兼性厌氧,可能不敏感啊₂一种内容变化,经常发现下属音在除氮系统12,14]。此外,下属音门在H₂包括Euryarchaeota(5.49%)和螺旋体属(6.13%)。螺旋体属唯一的存在

在H的主导地位₂是chemoheterotrophic厌氧消化池和醋酸发酵葡萄糖,乙醇和乳酸。除此之外,Synergistetes在H(9.15%)是另一个下属音门₁₇。Synergistetes增加丰富的O₂内容增加。Synergistetes通常占主导地位的微生物在厌氧污泥门,氨基酸降解的能力15]。Euryarchaeota仅仅是次属音门在H₆。在厌氧消化池属于Hydrogenotrophic和acetoclastic产甲烷菌Euryarchaeota(16]。

的相对丰度Fluviicola,Porphyromonadaceae (f),不动杆菌减少氧含量的增加在属的水平上。Fluviicola的主要属H₂,其相对丰度为27.82%,下降到不足0.1%₆H₁₀和H₁₇(图5 b)。Fluviicola是好氧反硝化的物种17]。的相对丰度Porphyromonadaceae (f)在H是18.36%₂下降到4.10%、2.32%和5.60%,H₆H₁₀和H₁₇,分别。属内Porphyromonadaceae家庭是严格厌氧和丁酸产量相关18]。相对abundanceof不动杆菌在H是7.59%₂下降到1.96%、0.38%和0.20%,H₆H₁₀和H₁₇分别。不动杆菌还好氧脱氮剂(19]。

占主导地位的细菌属在H₂如Xanthobacter,枸橼酸杆菌属,Brevundimonas,Sedimentibacter,Sphingobacterium,Dysgonomonas和Devosia,他们的相对丰度在四氧含量是最高的。相对abundanceofXanthobacter在H是4.64%₂,但0.02%的H₆甚至零H₁₀和H₁₇。Xanthobacter微量需氧的,进行异化的脱氮(20.]。的相对丰度枸橼酸杆菌属在H是8.42%₂在H,但不到0.2%₆H₁₀和H₁₇。枸橼酸杆菌属执行柠檬酸发酵,好氧反硝化21]。相对abundanceofBrevundimonas在H是7.07%₂,但不到0.1%的其他样本。Brevundimonas是抗生素耐药和反硝化属(22]。丰富的Sedimentibacter在H是3.97%₂1.27%,H₆1.89%,H₁₀在H,略增加到4.98%₁₇。Sedimentibacter与厌氧水解氨基酸(16]。相对丰度的Sphingobacterium在H是3.21%₂,但0 H₆略低于0.01%,H₁₀和H₁₇。Sphingobacterium能够减少硝酸N2 (23]。相对丰度的Dysgonomonas在H是3.13%₂但不到0.01%在其他样本。该属与厌氧发酵糖类(24]。的相对丰度Devosia在H是1.57%₂但在其他样本平均不到0.1%。Devosia可以减少硝酸盐和携带吗nirK基因(25]。

占主导地位的细菌属在H₆如细菌性的,Arcobacter和Paludibacter,他们的相对丰度在四氧含量是最高的。细菌性的的主要属H₆在H,其相对含量是20.57%₆5.65%,H₁₀和5.70%,H₁₇,但只有0.045%的H₂。相对abundanceofArcobacter在H是18.10%₆,其丰度幅度已经4.32% H₁₀0.05%,H₁₇甚至零H₂正常,表明它也是微量需氧的,经济增长6%₂内容。Arcobacter可以进行硝化和反硝化作用[26,27]。相对abundancesofMethanobrevibacter是0、4.06%、1.34%,0.21%在H₆H₁₀H₂和H₁₇。这个属hydrogenotrophic产烷生物固氮和相关(28]。Other genera of 1.0%-4.0% relative abundance in H₆包括PL-11B10 (o)(3.48%),Blvii28(2.23%),Sphaerochaeta(2.02%),Beijerinckiaceae (f)(1.95%),棒状杆菌属(1.42%),Alcaligenaceae (f)(1.33%),HA73(1.32%)和vadinCA11(1.02%)。Sphaerochaeta和VadinCA11与厌氧发酵[有关29日]。Beijerinckiaceae是一个独特的家庭由proteobacterial有氧氧化菌(30.]。棒状杆菌属是兼性厌氧菌和减少硝酸可以执行31日]。克隆的nosZ和nirK基因有beenaffiliatedAlcaligenaceae建议这个家族的反硝化能力,HA73能水解氨基酸和生产乙酸(32]。

占主导地位的细菌属在H₁₀如Paludibacter,Methanobrevibacter和Brachymonas,他们的相对丰度在四氧含量是最高的。

Paludibacter严格厌氧,丙酸和乙酸生产(33]。Brachymonas是一个有氧脱氮剂。属相对丰度超过1.0% H₁₀包括BA008 (f)(7.90%),细菌性的(o1群)(5.65%),Alcaligenaceae (f)(3.57%),Arcobacter(4.32%),Comamonadaceae (f)(3.09%),Porphyromonadaceae (f)(2.32%),Sedimentibacter(1.82%),PL-11B10 (o)(1.47%)和Methanobrevibacter(1.34%)。的unmentioned genera of relative abundance over 1.0% in H₁₀包括梭菌属的(o)(3.83%),ZB2 (c)(1.72%),GZKB119 (f)(1.32%),Rhodocyclaceae (f)(3.06%),vadinCA02(1.42%)和Anaerovorax(1.21%)。梭菌属的嗜中温厌氧消化池,能够降解纤维素(34]。ZB2是经常发现在有氧生物膜样品和复杂碳的降解能力35]。Rhodocyclaceae是脱氮剂36),可以降低聚已酸内酯(22]。VadinCA02降解蛋白质和生产乙酸(37]。Anaerovorax是专性厌氧chemoorganotrophic发酵属(27]。

相对丰度的主要细菌Brachymonas,BA008 (f),vadinCA02,细菌性的(o1群)和Porphyromonadaceae (f)在H₁₇分别为33.02%、13.31%、6.87%,分别为5.7%和5.60%。的相对丰度Brachymonas分别为3.71%,26.67%,33.02%在H₆H₁₀和H₁₇分开。Brachymonas繁荣的啊₂内容增加。Brachymonas是一个chemoorganotrophic脱氮剂(22,27),这表明脱氮氮代谢为主的H₁₇。没有去除17% O₂内容可以在很大程度上归因于好氧反硝化作用。其他属的相对丰度超过1.0% H₁₇包括Sedimentibacter(4.98%),Paludibacter(3.29%),HA73(2.28%),T78(2.21%),细菌性的(o2)(1.94%),梭菌属的(o)(1.53%),GZKB119(1.33%)和Comamonadaceae (f)(1.09%)。

氧含量大大影响微生物群落和改变系统结构大大O₂含量从2%增加到17%。一些属,如Brachymonas,BA008 (f),VadinCA02,细菌性的(o2)和GZKB119,增加了丰富的,而另一些,如不动杆菌和Devosia,减少氧含量从2%上升到17%。相比较而言,占主导地位的微生物群落结构改变,十占主导地位属H₂包括Porphyromonadaceae (f),Alcaligenaceae (f),不动杆菌,枸橼酸杆菌属,Fluviicola,Brevundimonas,Sphingobacterium,Devosia,Dysgonomonas和Xanthobacter;十占主导地位属H₆包括细菌性的(o),HA73,PL-11B10 (o),Blvii28,vadinCA11,Methanobrevibacter,Sphaerochaeta,Beijerinckiaceae (f),棒状杆菌属和Arcobacter;十占主导地位属H₁₀包括Paludibacter,梭菌属的(o),Comamonadaceae (f),Anaerovorax,ZB2 (c)和Rhodocyclaceae (f);十占主导地位属H₁₇包括Brachymonas,BA008 (f),VadinCA02,Sedimentibacter,HA73,T78,细菌性的(o)和GZKB119。

结论

该报透露,没有去除效率随着氧浓度的增加而增加。没有去除效率达到84.8%,85.1%,94%和94.5%在氧含量为2%,6%,10%和17%在HCMBR,分别。脱氮主要在H₂H₆;同步硝化和反硝化作用发生在H₁₀H₁₇。氧气对微生物群落的影响。占主导地位的门是Fluviicola,Arcobacter,Brachymonas在H₂H₆H₁₀,而Brachymonas,denitrificans,vadinCA02在H₁₇。Fluviicola,Acrobacter,Brachymonas和Brachymonas主导脱氮剂H₂H₆H₁₀和H₁₇,分别。主坐标分析(PcoA)表示系统发生的结构H₁₀和H₁₇与H高度相似但不同的吗₂和H₆。典型相关分析(CCA)分类可视化O₂依赖的细菌属的区别。

确认

作者欣然承认金融支持国家自然科学研究基金(21377171,21377171)。

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