重力流排水管道內(nèi)生物膜生長動力學及微生物群落結構研究.pdf

1、排水管道作為城市排水系統(tǒng)重要的組成部分，擔負著城市廢水的收集與輸送功能。近期研究表明，排水管道類似于生化反應器，在其中發(fā)生著眾多的生物化學反應，也就出現(xiàn)了生物降解、H2S和CH4等氣體的產(chǎn)生以及排水管道腐蝕等現(xiàn)象。排水管道中的生物膜是生化反應發(fā)生的主要場所，生物膜的結構組成及反應特性決定了上述現(xiàn)象的發(fā)生。而排水管道內(nèi)特殊的水力條件及基質(zhì)成分也即排水管道壁面剪切力與基質(zhì)濃度是影響生物膜生長的主要因素。
　　為此，本文通過搭建排水管道

2、生物膜培養(yǎng)裝置，研究不同基質(zhì)濃度和剪切力條件下生物膜生長特征及結構特性，采用微電極測試技術測試生物膜厚度并分析生物膜密度和胞外聚合物，結合454高通量分子生物學技術對不同剪切力條件下成熟生物膜中微生物群落結構進行分析，從宏觀角度和分子生物學角度探討剪切力和基質(zhì)濃度對生物膜生長過程及生物膜結構的影響，為今后的實際應用提供理論依據(jù)和基礎資料。
　　研究得出的主要結論如下：
　?、僭谏锬どL過程中，生物膜厚度隨時間逐漸增加，之后

3、達到最大生物膜厚度，隨后生物膜厚度有一定程度的減小，最終趨于穩(wěn)定；生物膜密度逐漸增加并達到最大值，隨后生物膜密度逐漸減小并最終達到穩(wěn)定值；生物膜胞外聚合物（EPS）含量也逐漸增加，當EPS含量達到一定的峰值之后，會出現(xiàn)一定程度的減小并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。研究結果表明：當生物膜生長達到平衡狀態(tài)時，不同剪切力條件下的生物膜厚度大小依次為：L（F=1.29pa）>L（F=1.12pa）>L（F=1.45pa）；生物膜密度（TS）的大小關系為：T

4、S（F=1.45pa）>TS（F=1.29pa）>TS（F=1.12pa）；生物膜EPS含量大小依次為：EPS（F=1.29pa）>EPS（F=1.12pa）>EPS（F=1.45pa）。
　?、诟咄繙y序結果表明，排水管道生物膜中細菌多樣性較高。不同剪切力條件下成熟生物膜中共同的優(yōu)勢菌門為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）和Candidate_div

5、ision_TM7。研究結果表明，剪切力對生物膜微生物群落結構、脫氮功能菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌等的數(shù)量影響較大。
　?、墼谝欢ǚ秶鷥?nèi)，隨著剪切力的增大，生物膜的厚度和EPS都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而生物膜TS逐漸增大，生物膜厚度與EPS變化趨勢一致。不同剪切力下成熟生物膜中 EPS主要成分均為蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)和多糖，其中蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)含量明顯高于多糖含量。
　?、軐τ诜€(wěn)定狀態(tài)的生物膜，在剪切力相同條件下增加基質(zhì)濃度或者同

6、時增加剪切力和基質(zhì)濃度，生物膜厚度變小，生物膜密度逐漸變大，生物膜胞外聚合物也變小。
　　⑤建立了排水管道流體動力學與生物膜生長動力學耦合模型并對模型進行了驗證，結果表明模型具有較高的準確性。該模型對試驗具有積極指導作用。
　　通過研究剪切力和基質(zhì)濃度對排水管道生物膜生長過程的影響，采用高通量測序手段分析成熟生物膜中微生物群落結構，并建立排水管道流體動力學與生物膜生長動力學耦合模型，為排水管道作為反應器這一理念的進一步推廣以