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焦化污染土壤和污泥中降解甲苯的厌氧反硝化菌群结构及bamA基因建筑多样性研究

  • 发布日期:2018-10-31
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本文是一篇硕士建筑工程论文,随着建筑工程行业竞争的不断加剧,大型建筑工程企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的建筑工程生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的建筑工程品牌迅速崛起,逐渐成为建筑工程行业中的翘楚!(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士建筑工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景
本研究主要是在山西省基础研究计划基金项目(2015021119):焦化污染土壤的微生物修复的基金资助下进行的,山西省作为全国最大的焦炭生产基地,产量近全国总产量的四分之一。焦化行业在生产过程中,不仅产生了严峻的水和大气污染问题,其造成的土地污染也非常严重。截至 2014 年底,山西省焦炭总产能已达到 16303 万吨,粗略估计,有数万亩焦化污染土地,其中大部分属严重焦化污染土地。焦化污染土壤中含有的高浓度污染物会不断地向下迁移,最终影响地下水,从而带来健康和环境风险,阻碍了城市建设和山西省经济的发展。焦化厂产生的污染物主要以有机物为主,具有毒性较大、难降解、处理周期长、处理成本高等特点。而污染场地修复在我国才刚刚起步,缺乏很好的基础技术和有效的解决方法,更没有研发出适合焦化污染场地修复的成熟技术和装备。针对山西省焦化行业产生的土壤污染问题,用现有技术修复这些污染场地使其达到我国农用标准,可能需要投入数十亿元。因此,为寻找低成本、高效率的土壤修复技术,多方位、多角度的基础研究必不可少。
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1.2 研究意义
受有机污染物污染的土壤优先考虑以微生物的修复研究为主,这主要是因为微生物是唯一可以将有机污染物作为生长碳源的生物,并可通过代谢作用将有毒有害有机物完全矿化为无害化学物质如二氧化碳和水,且费用较物理化学修复低很多。有机污染物,如 BTEX 化合物很少会通过自然物理或化学方式降解,但许多研究结果表明,BTEX 会在硫酸盐、硝酸盐和铁还原的条件下,在厌氧微生物的作用下发生自然降解。这说明 BTEX 能在缺氧区被降解,厌氧微生物降解是污染物自然衰减的关键过程。本课题立足于以寻找低成本、高效率的土壤修复技术为目标,研究焦化污染场地土壤的微生物修复技术。由于目前的污染场地修复工程主要集中在对表层土壤的修复上,且除表层土壤外,污染场地土壤大多处于缺氧或厌氧状态,而我国关于土壤修复的厌氧研究又非常稀少,因此,本研究拟采集太原市某焦化厂搬迁后的废弃地土壤,测定土壤中有机物的种类和含量,拟选取代表性有机污染物为碳源,建立厌氧反硝化富集菌液,采用分子生物学手段研究有机物厌氧反硝化降解过程中的菌群结构和功能基因多样性,初步探讨污染场地厌氧生物修复技术的应用,为土壤有机污染物厌氧降解的研究提供依据,为我国工业污染场地方面的法律法规体系的完善、特征分析以及实际工程应用提供理论指导,以期提高环境效益和社会效益,降低工业污染场地土壤的修复成本。目前仅有在厌氧硫酸盐、铁离子还原条件下对单环芳香族有机物苯环开环基因bamA 多样性的研究,且研究方法单一。因此,综合使用多种方法来研究厌氧硝酸盐还原条件下 bamA 基因的多样性,可进一步确定 bamA 基因作为苯环开环标记物的潜力,完善芳烃物质的厌氧代谢机理,为沉积物有机污染物厌氧降解的研究提供了理论依据。
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第二章 文献综述
 
随着社会经济的增长,大量城市化进程不断推进,工业模式加快发展,许多工业技术不得以跟进,致使工业园区土地大量污染。工厂附近污染比较集中,污染深度达数十米以上,导致土壤以及地下水一定程度上受到污染。土壤的污染危害着人体健康,使农业耕地减少,土壤中微生物多样性日益减少,也同时危害着生态环境和社会民生问题。尽管我国制定了相关污染场地管理规范性文件,但对污染土壤的修复较少,因此,针对污染土壤修复的研究,具有极大的现实意义。
 
2.1 焦化厂土壤污染状况
焦化厂用地情况都是建立在农田耕地或者未开发的荒地,一经利用便作为焦化厂工业用地。焦化厂利用煤炭作原料,经过各种工序把其加工成煤气和焦炭等能源,同时焦化厂还会生产焦油、工业苯以及沥青等工业化工材料,整个过程能生产多大 40 多种化工产品[1]。因为焦化厂在生产大量产品过程中,需要投入许多设备以及建设大量产品,其占地面积比较大。在建厂初期,焦化厂的建设地层结构层次分布,主要有一层至四层,即回填土层、黏质粉尘层、黏土层以及砂质潜水含水层[2]。生产技术、工艺水平以及污染物处理能力达不到级别,会使土壤严重污染,最终要采取科学合理的方法处理土壤污染,以免污染物对地下水以及生态环境造成危害。焦化厂通过炼焦、煤气净化和焦油的回收过程,一旦污染物遗漏导致各车间附近土壤存在大量污染,土壤中污染深度能达到 0-5 米。对焦化厂污染土壤中污染物进行调查研究发现,其中最重要的污染有机物是苯系物和多环芳烃类物质[3][4]。苯系物和多环芳烃都属于有毒致癌、致畸、致突变的污染物质[5],美国环保局和我国都将其中多种污染有机物列入优先检测的名单中[6]。由于苯系物水溶性较多环芳烃强,下渗和迁移的能力就强,在污染土壤附近地下水中发现苯系物存在,然而土壤中多环芳烃各种类存在较大差异[7]。总而言之,土壤的修复应结合土壤环境的现实采用合理技术。
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2.2 土壤修复技术研究
早在 70 年代,国外科学家就已经致力于土壤污染物的修复。西方国家和日本在污染土壤修复技术的研究与应用中具有丰富的经验。我国的污染土壤修复技术研究情况,与发达国家有一定差距。随着我国经济的高速发展,污染土壤的修复计划被国务院提上议程。在 2016 年 5 月 28 日,国务院印发了《土壤污染防治行动计划》,简称“土十条”。这是我国唯一针对污染土壤修复工作,提出得指导性纲领。从而,促进我国土壤污染的控制和修复技术的科学研究,也对我国生态环境的建设具有巨大的作用。电动修复技术是一种在污染土壤两侧加装直流电场,使得土壤中污染物通过电迁移、电渗透和电泳方式移除去土壤,然后进行后续处理。该项技术属于新型土壤污染物修复技术,适用于渗透系数较低的土壤中,操作简单,经济费用低,在土壤修复过程中,对环境没有危害,不影响生态环境的微生物系统。电动修复技术在处理污染土壤和地下水中重金属离子的污染研究比较成熟,王慧等人[9]在电动修复重金属污染土壤方面进行了研究。在电动修复污染土壤过程中,祝方等人[10]研究了 Fe(Ⅲ)对 Zn 污染土壤修复效果的加强。该技术近年来也用于去除土壤中有机污染的研究,孟祥婕等人[11]电动修复苯酚土壤技术基础上,同时加入超声波使得苯酚迁移效果显著。解清杰等人[12]利用磁助电动修复三氯生污染土壤,磁力越强修复污染土壤效果越好。电动修复技术对于不溶性有机物的去除,需要添加增溶剂使污染物溶解,这一定程度上给污染土壤带来了修复风险。
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第三章 实验材料与方法....19
3.1 实验材料 ....19
3.1.1 实验样品 ............19
3.1.2 培养基 ......20
3.1.3 富集菌液 ............21
3.2 化学分析 ....21
3.3 微生物群落分析 ............22
第四章 甲苯厌氧反硝化降解过程中菌群结构分析..........25
4.1 富集菌液观察 ......25
4.1.1 焦化污染土壤菌液中甲苯的降解 ............25
4.1.2 焦化污泥中菌液中甲苯的降解 ......28
4.2 微生物菌群分析 ............30
4.2.1 稀释性曲线 ........30
4.2.2 菌群多样性分析 ..........32
4.2.3 操作分类单元(OTU)共有分析 ............34
4.3 微生物群落结构分析 ....36
4.4 本章小节 ....47
第五章 甲苯厌氧反硝化降解过程中的 bamA 基因多样性分析 ..........51
5.1 bamA 基因多样性分析 ............52
5.2 bamA 基因序列组成和系统发育分析 ........57
5.3 本章小结 ....63
 
第五章 甲苯厌氧反硝化降解过程中的 bamA 基因多样性分析
 
采集太原市焦化厂附近污染土壤和处理废水中厌氧活性污泥用于富集培养菌液。在硝酸盐条件下,以甲苯或苯甲酸做唯一碳源和能源物质驯化焦化污染土壤和焦化活性污泥。通过 120 天的厌氧富集土壤和污泥,利用高通量基于 bamA 基因测序手段分析厌氧污泥中微生物群落结构和功能基因多样性。另外,利用分类操作单元分析四组样品(Toluene soil、Benzaote soil、Toluene sludge、Benzaote sludge)bamA 基因的 OUT情况以及微生物多样性,在四组样品(Toluene soil、Benzaote soil、Toluene sludge、Benzaote sludge)降解甲苯或降解苯甲酸中各项分析进行相互比较,来阐述焦化污染土壤和焦化污泥中降解甲苯或降解苯甲酸的微生物的 bamA 基因组成和结构多样性。在研究富集厌氧菌液中,甲苯或苯甲酸作为单一碳源和能源物质,通过一系列反应转变成其中间代谢产物苯甲酰辅酶 A[102,103],进而将其脱芳形成二烯酰-CoA[103,104],然后再生成 3-羟基庚二酰辅酶 A[105-107]。6-OCH 水解酶由 bamA 基因编码,该基因一直被当作厌氧芳烃降解的优异分子生物标志物来研究,因为它在不同种类的生物细胞中含有高度保守的区域[103]。在研究降解苯环类微生物群体中,bamA 基因作为特定微生物的分子生物标志物,能更加准确得研究厌氧降解甲苯或苯系物中优势菌属结构。因此,本章内容研究焦化厌氧污泥中降解甲苯或苯甲酸的变化过程,以及着重分析高通量测序后菌群的意义。利用高通量测序对单一能源和碳源富集焦化污染土壤和焦化污泥体系中微生物菌群 bamA 基因的多样性、差异性和结构进行分析,同时与四组样品(Toluene soil、Benzaote soil、Toluene sludge、Benzaote sludge)中菌群 16SrRNA结果对应探讨,对降解甲苯或苯甲酸的优势菌更进一步分析,以及补充 bamA 基因功能的特性。
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结论
 
利用甲苯或苯甲酸作为唯一碳源和能源物质,在硝酸盐作为电子受体的还原条件下,来厌氧培养焦化污染土壤和焦化污泥 120 天后,结合分析甲苯或苯甲酸降解过程及硝酸盐浓度变化,通过高通量测序技术分析土壤和污泥富集菌液的微生物群落结构16SRNA 和 bamA 基因多样性,研究土壤厌氧反硝化条件下的甲苯降解菌和苯甲酸降解菌。找出了菌液中降解甲苯和苯甲酸的优势菌属,验证了 bamA 基因作为一种厌氧降解芳烃类物质的标记物,为污染土壤中有芳烃类物质厌氧降解的进一步研究提供了依据。通过本论文的实验研究得出以下结论:
(1)在富集焦化污染土壤菌液过程中,微生物降解甲苯或苯甲酸与消耗硝酸盐的反应过程是同步进行的,本实验甲苯和苯甲酸的降解量与硝酸根的反应量实际比值分别约为 1:8.7 和 1: 5.9,这个数据和理论计量学比率在合理程度上可认为相近。
(2)在 120 天的厌氧脱氮富集焦化污染土壤菌液过程中,利用 16SrRNA 基因高通量测序结果,背景控制(Control)、活性甲苯菌液(Toluene)和苯甲酸菌液(Benzaote)样品得到的优质读长数目 65216、61101、和 57373,平均长度为 421.24bp;此外,测到的 OTUs 数目分别是 2499、2776、和 2551。活性菌液微生物降解甲苯和苯甲酸的微生物菌群结构多样性均低于背景对照样本,且两者之间菌群差异较大。
(3)3 个样本(Control,Toluene,Benzoate)菌液群落包括:Proteobacteria 菌门、Firmicutes 菌门、Igavibateriae 菌门、Deinococcus-thermus 菌门、Bactercidetes 菌门、Actinobacteria 菌门和 Spirochaetes 菌门,其中 Proteobacteria 菌门占 3 个样本(Control,Toluene,Benzoate)的丰度较大,分别为 55.65%、67.21%和 62.44%焦化土壤中主要菌门为 Proteobacteria,反硝化菌液中降解甲苯的优势门为 Firmicutes,而降解苯甲酸菌液中的优势门为 Proteobacteria。
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