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铁酸镧强化卡马西平胁迫下厌氧消化研究

铁酸镧强化卡马西平胁迫下厌氧消化研究

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作者：杨俊伟齐鲁工业大学

学位级别：硕士

厌氧消化(Anaerobic digestion,AD)是从有机固体废物/废水中回收甲烷的一种有着巨大应用潜力的技术,有助于实现污水处理厂、垃圾填埋场和工业园区碳中和。AD的性能和运行稳定性受到多方面影响,但是药品和个人护理产品对AD的潜在影响往... 详细信息

厌氧消化(Anaerobic digestion,AD)是从有机固体废物/废水中回收甲烷的一种有着巨大应用潜力的技术,有助于实现污水处理厂、垃圾填埋场和工业园区碳中和。AD的性能和运行稳定性受到多方面影响,但是药品和个人护理产品对AD的潜在影响往往被忽视。卡马西平是一种典型的抗癫痫药物,在污水污泥中具有较高的检出率,已经被列为城市标志性污染物,但其对AD的影响尚未得到系统的探究。尽管铁基添加剂已经被证实能够提高AD稳定性和性能,但不同种类的铁基材料对AD有着不同的作用方式。因此本研究系统性地探究了城市污染标志物卡马西平对AD的影响,同时制备了新型铁基材料铁酸镧纳米粒子(Lanthanum-iron oxide nanoparticles,LaFeO NPs)以强化卡马西平胁迫下的AD性能,具体研究内容如下:(1)卡马西平会严重干扰厌氧消化的甲烷(Methane,CH)产率,当卡马西平剂量从0 m M增加至0.14 m M时,CH产率从275.12下降到182.04 m L/g乳酸。为了更好地了解该药品对厌氧消化全部过程的影响,对水解、酸化、产乙酸和产甲烷四个阶段进行了模型试验。模型试验结果表明,卡马西平可促进接种泥增溶,从而释放多糖和蛋白质。但水解阶段却受到了严重限制。酸化的增强和产乙酸与产甲烷的减弱共同导致了挥发性脂肪酸的积累,最终导致CH产率显著下降。卡马西平对厌氧消化的干扰程度如下:产乙酸>产甲烷>水解>酸化>溶解。高通量测序结果显示,Chloroflexi的相对丰度从21.5%增加到26.7%,是挥发酸积累的主要原因。乙酸型产甲烷菌Methanosaeta的相对丰度从59.86%下降到44.78%是CH显著降低的主要原因。氢营养产甲烷菌Methanobacterium和Methanomassiliicoccus的相对丰度分别从28%、0.5%增加至37.9%和4.1%。虽然CH的回收率有限,但从含卡马西平有机废水或污泥中回收挥发性脂肪酸更值得推荐。(2)通过简单的溶胶凝胶法制备了LaFeO NPs并对其性质进行了表征,并研究了其对两相厌氧消化产酸相和产甲烷相的影响。当LaFeO NPs为25 mg/L时,CH产率从空白组的717.42增加至800.62 m L/g葡萄糖。LaFeO NPs对产酸相有着更好的促进作用,当LaFeO NPs为100 mg/L时达到最高H产率,为289.8 m L/g葡萄糖,比对照(196.3 m L/g葡萄糖)高47.6%。Firmicutes的相对丰度从54.2%增加到67.5%。LaFeO NPs的大比表面积为Firmicutes的固定繁殖提供了足够的位点,增加了细菌对营养物质的获取。此外,LaFeO NPs逐渐释放的La提高了微生物的跨膜转运能力,提高了糖酵解效率和铁利用率,提升了辅酶F420活性,增加了氢化酶含量,使丁酸途径得到了强化,以获得更多的H、挥发酸和CH。(3)随着LaFeO NPs的剂量从0 mg/L增加到200 mg/L,卡马西平的吸附去除率从0增加到44.30%,这为生物强化提供了必要的前提。吸附降低了卡马西平与厌氧菌直接接触的概率,部分缓解了卡马西平对微生物的抑制作用。LaFeO NPs(25 mg/L)介导的最高CH产率为226.09 m L/g乳酸,与控制组相比增加了30.06%,回收率为正常甲烷产率的89.09%。尽管LaFeO NPs能够恢复正常的厌氧消化性能,但由于卡马西平的抗生物降解性,其生物降解率仍低于10%。生物强化主要反映在溶解性有机物生物利用度的提高,细胞内的LaFeO NPs通过与腐殖物质结合增加了辅酶F420的活性。在LaFeO NPs的介导下,成功构建了以Longilinea和Methanosaeta为功能菌的直接种间直接电子转移系统,相应的电子转移速率从0.021 s加速至0.033s。LaFeO NPs最终以吸附和生物强化的方式恢复了卡马西平胁迫下的厌氧消化性能。

关键词：卡马西平厌氧消化铁酸镧纳米粒子诱导响应氢气和甲烷

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