第 1章 绪 论
近年来，生物法处理含CA、DBF、DBT及其衍生物废水倍受青睐，而其中微生物是生物法处理的核心。尽管以往的研究也分别筛选出CA、DBF和DBT的高效代谢菌，但是由于实际焦化废水中污染物往往都是共簇存在的，所以，获取高效芳烃代谢菌共代谢杂环芳烃对实际焦化废水处理是十分必要的，并且杂环芳烃共代谢机理有待进行深入的研究。另外，由于这类杂环芳烃及其代谢中间产物大多属于难代谢有机物，由此，传统的生物法治理效率较低。因此，寻求一种更安全、更有效、更彻底、更廉价的生物处理法则成为目前的当务之急。生物强化技术作为高效的生物处理技术之一，广泛应用于难代谢工业废水的生物处理。因此，通过生物强化技术可增强含杂环芳烃废水的处理效果。虽然生物强化技术在难代谢工业废水的治理中展现出强大的应用潜能，然而，至今关于复杂生物强化体系中微生物群落结构动态变化与宏观处理能力之间的内在关系尚未进行深入探讨。近年来，随着分子生物学的飞速发展，高通量测序技术广泛应用于工业废水处理系统的微生物群落分析，使得微生物群落结构动态变化与宏观处理能力之间的内在关系更为明朗，使一直被称为“黑箱”的生物强化体系透明化。
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第 2章 实验材料与方法
2.1 实验材料
Arthrobacter sp. W1，以下称为菌株W1，由本实验室前期分离并鉴定，其菌落形态观察、生理生化分析见Wang等描述[127]。苯酚羟化酶基因工程菌(PHIND)为本实验室前期构建的基因工程菌，构建过程为以Arthrobacter sp. W1的基因组DNA为模板，通过PCR反应，扩增出685 bp的基因保守序列，再根据该苯酚羟化酶基因保守序列，采用染色体步移的方法(TAIL-PCR)，获得了总长为5490 bp苯酚羟化酶基因全长序列，将其转化至大肠杆菌中构建基因工程菌PHIND。本实验所用焦化废水来自于山西太原某焦化厂废水处理系统中的调节池出水(焦化废水)，水质指标如表2-1所示。污泥样品取自该钢铁厂的二沉池污泥。本论文主要采用两种培养基，分别为无机盐和 LB培养基[127,128]。无机盐培养基(MSM)：Na2HPO41.3 g/L，KH2PO42 g/L，(NH4)2SO42 g/L，FeCl30.25 mg L-1。LB培养基：NaCl 10 g/L，蛋白胨 10 g/L，酵母粉 5 g/L。固体培养基为相应的液体培养基中加入 2% (w/v) 的琼脂。培养基灭菌条件为 121oC 高压蒸汽灭菌 20 min。1 mL 超纯水溶解 0.25 g 苯酚，1 mL 丙酮分别溶解 0.25 g萘、CA、DBF和 DBT。
2.2 实验方法
在MSM培养基中，加入初始苯酚浓度 (25 至 450 mg/L)，每隔2 h定时取样，测定苯酚的代谢及菌株W1生长情况。在MSM培养基中，加入初始苯酚浓度 (25 至 450 mg/L)和40 mg/L CA、DBF和DBT；加入初始CA浓度(12.5 至 225 mg/L)和100 mg/L 苯酚、40 mg/L DBF和40mg/L DBT；加入初始DBF浓度(12.5 至 225 mg/L)和100 mg/L苯酚、40 mg/L CA和40 mg/L DBT；加入初始DBT浓度(12.5 至 225 mg/L)和100 mg/L苯酚、40 mg/LCA和40 mg/L DBF，每隔2 h定时取样，测定底物的代谢及菌株W1生长情况。菌株W1休眠细胞中，分别加入不同浓度CA、DBF和DBT(0.25 至 1.5 mM)，并定时取样，考察菌株W1休眠细胞对不同浓度CA、DBF和DBT的代谢情况。同时，利用Michaelis-Menten代谢动力学模型进行拟合。菌株W1休眠细胞中，同时加入0.5 mM CA、DBF和DBT定时取样，考察菌株W1休眠细胞对CA、DBF和DBT的代谢情况。
第 3 章 Arthrobacter sp. W1 共代谢杂环芳烃特性及途径解析................................. 35
3.1 引言...................... 35
3.2 菌株 W1 以苯酚为基质共代谢 CA、DBF 和 DBT 的特性研究 ...................... 35
第 4 章 Arthrobacter sp. W1 固定化细胞代谢杂环芳烃............................................. 83
4.1 引言................. 83
4.2 固定化载体的选择................... 83
第 5 章 生物强化反应器处理焦化废水及群落结构解析......................................... 101
5.1 引言.................................... 101
5.2 生物强化处理效果................................... 101
第 5 章 生物强化反应器处理焦化废水及群落结构解析
5.1 引言
在实际焦化废水处理中，活性污泥法是最传统且使用最多的生物处理工艺，但是由于活性污泥中往往缺乏特异性代谢菌资源，焦化废水的治理效果并不理想，因此，生物强化技术即在活性污泥系统中投加高效代谢菌资源，不但可以代谢典型的难代谢有机物，而且可以去除其它有毒有害污染物。同时，将现代分子生态技术引入到生物强化技术中，建立生物强化系统中微生物群落结构动态变化与难代谢有机物去除效果之间效应-反馈机制。曝气生物滤池是一种生物膜法处理技术，常被用于生物强化处理技术工艺研究，在处理难代谢有机废水、硝化与反硝化等方面具有巨大的潜能[165]。填料作为生物的载体，是曝气生物滤池的关键和核心部分。目前，活化沸石作为高效的微生物填料，在曝气生物滤池中应用比较广泛。
5.2 生物强化处理效果
图 5-1 (a) 为 3个反应体系对苯酚的代谢情况。从图 5-1 (a)可以看出苯酚代谢的速率由快到慢依次为 G3、G2 和 G1。在 48 h 内，G3 反应体系将 400 mg/L苯酚代谢至未检出，说明磁性固定化细胞强化对苯酚的代谢效率最高。而其他 2 个反应体系在 48 h 内未能将苯酚代谢至未检出。G2 反应体系代谢苯酚的速率大于 G1反应体系，说明相对于 G1 活性污泥体系，菌株 W1 游离细胞强化有助于苯酚去除，在 40 h 内，G2 反应体系中苯酚的剩余浓度为 40 mg/L。而 G1 活性污泥体系中苯酚的剩余浓度为 100 mg/L，说明驯化后的活性污泥对苯酚有一定的去除作用，初始苯酚的代谢速度很快，与活性污泥对苯酚的吸附相关。由此可以推断出磁性固定化细胞强化、菌株 W1 游离细胞强化和活性污泥均适应了焦化废水的复杂水质。
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结 论
本论文以实际焦化废水中典型杂环芳烃咔唑 (CA)、二苯并呋喃 (DBF)和二苯并噻吩 (DBT)的去除为研究对象，考察 Arthrobacter sp. W1 以苯酚基质共代谢这 3种杂环芳烃的特性，并利用高分辨质谱及核磁共振等分析手段检测该菌株共代谢这 3 种杂环芳烃的中间产物，推测其代谢途径。同时，建立活化沸石曝气生物滤池并以该菌株作为生物强化制剂处理实际焦化废水，并采用高通量测序 (IlluminaMiSeq 2000) 揭示生物强化系统中微生物群落结构动态变化，探讨生物强化过程中微生物种群的变化与污染物处理效果相互对应的反馈机制。主要结论概括如下：(1) 研究以苯酚为基质对 CA、DBF 和 DBT 进行共代谢代谢过程。Andrews抑制动力学分析表明，CA、DBF 和 DBT 的加入对菌株 W1 生长及苯酚的代谢产生抑制作用。菌株 W1 休眠细胞对不同浓度的 CA、DBF 和 DBT 具有较高的代谢效率，并且代谢动力学符合一级动力学方程和 Michaelis-Menten 方程。菌株 W1休眠细胞耦合活化沸石可以将 1/2 实际焦化废水中所有化合物代谢至未检出，且急性毒性分析表明，经处理后的焦化废水出水毒性显著降低。
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参考文献（略）