重力流排水管道內(nèi)生物膜生長動(dòng)力學(xué)及微生物群落結(jié)構(gòu)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(dān)負(fù)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(yīng)器，在其中發(fā)生著眾多的生物化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)發(fā)生的主要場所，生物膜的結(jié)構(gòu)組成及反應(yīng)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(jié)構(gòu)特性，采用微電極測試技術(shù)測試生物膜厚度并分析生物膜密度和胞外聚合物，結(jié)合454高通量分子生物學(xué)技術(shù)對不同剪切力條件下成熟生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從宏觀角度和分子生物學(xué)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(jié)構(gòu)的影響，為今后的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)資料。
　　研究得出的主要結(jié)論如下：
　?、僭谏锬どL過程中，生物膜厚度隨時(shí)間逐漸增加，之后

3、達(dá)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(dá)到最大值，隨后生物膜密度逐漸減小并最終達(dá)到穩(wěn)定值；生物膜胞外聚合物（EPS）含量也逐漸增加，當(dāng)EPS含量達(dá)到一定的峰值之后，會(huì)出現(xiàn)一定程度的減小并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。研究結(jié)果表明：當(dāng)生物膜生長達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，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(guān)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(jié)果表明，排水管道生物膜中細(xì)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(jié)果表明，剪切力對生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)、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(shí)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(dòng)力學(xué)與生物膜生長動(dòng)力學(xué)耦合模型并對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明模型具有較高的準(zhǔn)確性。該模型對試驗(yàn)具有積極指導(dǎo)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(jié)構(gòu)，并建立排水管道流體動(dòng)力學(xué)與生物膜生長動(dòng)力學(xué)耦合模型，為排水管道作為反應(yīng)器這一理念的進(jìn)一步推廣以