自养—异养联合反硝化系统中功能菌群互作规律及代谢机制

论文摘要

生物法脱氮工艺相比于物理化学工艺,具有能耗较低,运行成本低廉等优势,占据我国污水处理领域近九成的市场。异养反硝化和自养反硝化工艺是目前应用最为广泛的脱氮技术,但却暴露出碳源需求高、启动周期长、在溶解氧存在的条件下反硝化速率较低的问题。针对这一现状,课题组前期开发了自养-异养联合反硝化（IAHD）工艺系统,其利用硫化物和有机物为电子供体进行反硝化过程,并在微氧条件下具有较高的硫、氮、碳去除效能。IAHD体系的高效运行依赖于自养及异养反硝化微生物的互作,但异养硫氧化反硝化菌的发现打破了这一常规认知。因此本文重点关注IAHD体系运行过程中的微生物互作规律,解析异养反硝化细菌（h NRB）、自养硫氧化反硝化菌（a-soNRB）和异养硫氧化反硝化菌（h-soNRB）在不同硫化物浓度及微氧条件下对硫、氮、碳共脱除的贡献度;同时在对代表性h-soNRB菌株进行基因组及转录组学分析的基础上,与a-soNRB进行混合培养,探讨h-soNRB独特的硫氮碳代谢优势,从而揭示IAHD体系的微生物学本质,为进一步扩大工程应用推广提供理论基础。首先,在营养条件（自养、异养、混养）的循环转变下考察IAHD体系的运行效能及微生物群落结构的演替规律,同时将占优功能微生物划分为a-soNRB、h NRB和h-soNRB三大类群,提出了不同硫化物浓度条件下IAHD过程的微生物协作机制。经过自养、异养、混养条件的切换后,200 mg/L及400mg/L的硫化物浓度条件下硫化物、硝酸盐和乙酸盐的去除率均为100%;且三个IAHD反应器中微生物群落结构在不同硫化物浓度条件下分别呈现相似的特征。在低硫化物浓度（200 mg/L）条件下,a-soNRB与h NRB占优,两者协作进行硫、氮、碳的共脱除过程;高硫化物浓度（400 mg/L）条件下,h-soNRB成为负责硫、氮、碳去除的主要功能菌群,与h NRB协作保障IAHD体系的高效稳定运行。其次,从功能微生物及功能基因的角度阐明了微氧对IAHD体系硫、氮、碳共脱除的强化机制。对于硫自养反硝化体系,微氧条件使其脱硫脱氮效能得到强化。基于群落结构特征,采用统计学手段明确了占优功能微生物与环境因子（硫化物浓度、曝气速率）间的关联;并依据16S宏蛋白功能预测的结果,分析了微氧条件下自养反硝化过程中硫、氮去除效能提升的分子生物学机制。对于IAHD体系,微氧条件下硫氧化基因、反硝化基因及含硫氨基酸代谢基因均出现上调表达。IAHD反应器的运行数据及群落测序结果显示,微氧曝气使反应器在高硫化物浓度条件下可达到最高90%以上的硫、氮、碳去除率,Pseudomonas、Azoarcus等h-soNRB在群落结构中具有90%左右的相对丰度,是维持微氧IAHD反应器高效运行的功能微生物。且经微氧培养后,IAHD反应器在厌氧条件下的硫化物耐受能力提升一倍,硫化物、硝酸盐和乙酸盐去除率比最初厌氧运行时提升约2～5倍。因此可考虑采取阶段式微氧曝气的策略,在节约能耗的同时保障IAHD体系的运行效能。此外在对微氧IAHD体系的硫氮碳去除过程进行电子流分析时发现,氧气含量与电子受体缺失率之间表现出正相关关系,且硫、氮、碳去除率最高时,相应的电子缺失率也达到最大值。Thiobacillus做为群落中的主要占优属,其相对丰度随着电子缺失率的增大而增加。最后,从高效运行IAHD反应器的活性污泥中筛选出五株h-soNRB,在进行硫氮碳代谢效能的比较后,确定Pseudomonas C27为h-soNRB的代表菌株,并构建了其以乙酸盐为碳源时的硫、氮、碳代谢网络。基于转录组学技术,探究了微量氧气浓度（O2/S2-=0.5:1）下Pseudomonas C27的硫、氮、碳代谢特性及相关功能基因的表达规律。微氧对菌株C27在高硫化物浓度条件下的代谢影响更显著,且相比于厌氧培养,微氧条件降低了高硫化物浓度条件下菌株C27中显著（p<0.05）下调的基因数,缓解了高硫化物带来的代谢抑制。硫化物浓度提升时,厌氧及微氧条件下pdo基因均出现显著（p<0.05）上调。Pseudomonas C27具有数十倍于Thiobacillus denitrificans的硫代谢能力,但混合培养的过程中,由于二者互作仅在3:1的生物量配比下（S2-=200～400 mg/L）可以最快的降解速率实现硫化物的100%去除。Pseudomonas C27的Sqr酶类型,含有的pdo及cys K基因可能是其在高硫化物浓度条件下保持高效代谢能力的原因。h-soNRB的这种高硫化物耐受及与a-soNRB协同脱硫的特性具有广阔的研究及工程应用价值。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张若晨

导师: 任南琪,陈川

关键词: 自养异养联合反硝化,微氧,微生物群落结构,异养硫氧化反硝化菌

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 中央高校基本科研项目,“高效脱硫异养反硝化新型脱氮技术及代谢机制研究(AUGA5710050418)”

分类号: X703;X172

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005241

总页数: 177

文件大小: 18291k

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