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研究速递:低碳污水脱氮功能微生物代谢及处理工艺创新
发布者: 金鹏康 | 2021-10-12 | 348

受诺贝尔化学奖获得者托马斯·林道尔(Tomas Lindahl)关于DNA修复机制研究成果的启发,团队带头人金鹏康教授提出在污水生物处理过程中,微生物必然存在对环境变化感知、应答、调节和反馈的机制,而溶解氧是影响脱氮除磷功能微生物的主要环境因素,如何通过调控氧环境实现对污水处理系统中目标功能微生物的精确控制,在水处理微生物群落层面展开研究的同时还需化整为零,在微观层面对功能微生物自身代谢规律进行探究。

近日,团队在城市污水处理过程中的功能微生物氧调控代谢和水处理工艺的氧调控模式研究方面分别取得新突破,相关成果《Diversified metabolism makes novel Thauera strain highly competitive in low carbon wastewater treatment》及《Enhanced nitrogen removal by partial nitrification-anammox process with a novel high-frequency micro-aeration (HFMA) mode: metabolic interactions among functional bacteria》分别发表于环境领域著名期刊Water Research (IF=11.236)Bioresource Technology (IF=9.642),金鹏康教授为论文通讯作者,博士研究生任童、池玉蕾分别为论文第一作者,研究受到陕西省重点研发计划、陕西省科技统筹创新工程计划项目的资助。

功能微生物氧调控代谢

题目:Diversified metabolism makes novel Thauera strain highly competitive in low carbon wastewater treatment

期刊:Water Research

IF11.236

发表时间:202110

通讯作者:金鹏康

第一作者:任童

文章简介:

Thauera属细菌作为废水处理系统中微生物群落的核心成员之一,在污水脱氮除磷过程中发挥着重要作用,研究表明Thauera在低碳氮比的污水处理系统中似乎占据更高的丰度。Thauera细菌为何会展现出如此高的生态竞争力? 本研究从碳源竞争策略及氮磷代谢途径两方面对其进行了全面解析。

利用新分离的Thauera sp.RT1901菌株通过比较碳源不足、充足和过剩条件下的反硝化过程,发现菌株RT1901可以同时利用可溶性微生物产物和胞外聚合物作为电子供体进行反硝化(1),这表明Thauera与其他反硝化细菌相比具有更多的可利用碳源。此外,该菌株也具有反硝化除磷的特性,能够在聚β-羟基丁酸酯分解代谢过程中利用硝酸盐、亚硝酸盐或氧作为电子受体并积累磷酸盐(2),在水处理过程中实现一碳多用。通过对Thauera sp. RT1901进行全基因组测序和功能注释,重建了其在厌氧、有氧条件下氮磷代谢途径,以及芳香族和氨基类等化合物的降解途径(3),为Thauera细菌的碳源利用策略与反硝化除磷特性提供了有效支撑。同时,将RT1901人工富集在碳氮比为3.5的厌氧-好氧-缺氧序批式反应器中,发现反应器中微生物群落结构发生了明显的变化,常规聚磷菌的丰度显著降低(4),出水TNCOD的去除率明显增加(5)。这说明Thauera细菌依靠其碳源利用策略与反硝化除磷特性在微生物群落中占据了优势地位,提升了水处理效果。由此可见,Thauera细菌多样化的代谢方式使得其在低碳源污水处理过程中更具竞争力。

1 碳氮比为236Thauera sp. RT1901生产和利用有机基质、可溶性微生物产物和胞外聚合物的变化

2 Thauera sp. RT1901的反硝化除磷效果

3 Thauera sp. RT1901的基因组图及厌氧(A)/有氧(B)代谢重构图

4 AOA-SBR反应器中微生物群落丰度变化 (120天开始人工富集RT1901)

5 AOA-SBR反应器出水污染物浓度变化 (阶段1碳氮比:5.5,阶段24.5,阶段343.5120天开始人工富集RT1901)

上述研究表明,功能微生物的富集改变了水处理过程中微生物群落结构,从而提升污染物去除效率。基于此团队进一步考虑以特定氧环境变化模式来实现目标功能菌的富集,并以此为研究主线在短程硝化-厌氧氨氧化方面同时取得了新进展。

短程硝化-厌氧氨氧化的高频微氧运行模式

题目:Enhanced nitrogen removal by partial nitrification-anammox process with a novel high-frequency micro-aeration (HFMA) mode: metabolic interactions among functional bacteria

期刊:Bioresource Technology

IF9.642

发表时间:202109

通讯作者:金鹏康

第一作者:池玉蕾

文章简介

本研究针对短程硝化-厌氧氨氧化城市污水处理系统难以稳定运行的问题,利用微氧-缺氧高频交替环境对NOB的抑制及对Anammox功能菌的促进作用,构建了短程硝化-厌氧氨氧化的高频微氧运行模式(供氧频次为15/h,溶解氧浓度低于0.5 mg/L)。采用高频微氧模式条件下运行的两阶短程硝化-厌氧氨氧化装置对城市污水(C/N=3)进行深度脱氮处理(图1),并通过对比高频微氧系统与低供氧频次的短程硝化-厌氧氨氧化系统处理效果的差异,综合评价该系统的脱氮性能。结果表明,在高频微氧运行模式下NO2--N积累率,TN去除效率和Anammox功能菌的相对丰度较低供氧频次系统分别提升了16.34%, 18.71%5.92%(图2,短程硝化反应阶段NO2--N氧化相关基因丰度下调,NO3--N还原和碳源消耗相关基因丰度上调。该模式下功能微生物代谢活性的变化为后续厌氧氨氧化阶段提供充分的反应基质,并消耗系统内积累的NO2--N和有机物,进而使得Anammox功能菌代谢活性及与其它功能菌间物质交换活性得到提升(图3)。高频微氧模式下功能菌间的互作效应是该系统脱氮性能提升的主要原因。

1:短程硝化-厌氧氨氧化的高频微氧系统装置结构和运行模式

2:高频微氧模式(HFMA)下短程硝化效率(a)和城市污水处理效果(b)

3:脱氮功能代谢途径基因丰度(a-c)和高频微氧系统(HFMA)中功能菌间代谢互作机制(d)

结语

随着水处理系统研究的不断深入,同步硝化反硝化、反硝化除磷、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等氮磷去除途径已经颠覆人们对传统脱氮除磷过程的认识,然而水处理工艺的不断革新往往伴随着新型功能菌种发现、认知与掌控过程。因此,只有全面了解了功能微生物的自身特性及其与多种微生物之间的联系,才能充分发挥其在微生物群落中的优势,从而更好地服务于水处理系统。

原文信息

https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117742

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125917