苯酚作为底物时好氧颗粒污泥中聚羟基脂肪酸酯积累情况及其对于氯代短链烃共代谢效率的影响

Aerobic granule is a promising technology for wastewater treatment, and shows unique advantages in removing toxic and recalcitrant pollutants. Aerobic granular sludge could contain considerable amounts of cell inclusions-polyhydroxyalkanoates (PHA), which could be used as endogenous NADH source for resting state aerobic co-metabolism of recalcitrant short-chain chlorinated aliphatic hydrocarbons. Short-chain chlorinated aliphatic compounds, e.g. trichloroethylene (TCE) can hardly support aerobic microbial growth, but can be totolly degraded via co-metabolic pathways. This study intends to use a toxic substrate, phenol as the sole carbon source to cultivate aerobic granules, and to co-metabolize TCE with the phenol hydroxylase expressed in this process. Reactor operational conditions, e.g. influent phenol concentration, C/N ratio, and dissolved oxygen level, will be changed to study the corresponding granular sludge stability, level of PHA accumulation and TCE co-metabolic activities. Furthermore, the dominant microbial communities under various operational conditions and their physiological characteristics will be studied, and the mechanism and conditions for PHA synthesis with toxic substrates will be tentatively explored. This study aims at expanding the application of intracellular PHA accumulation in the field of environmental engineering, and optimizing aerobic granular sludge system for simultaneous removal of multiple toxic/recalcitrant substances.

好氧颗粒污泥是很有前景的废污水处理技术，在处理有毒难降解污染物方面具有独特优势。好氧颗粒污泥中可以含有相当量的细胞内聚物- - 聚羟基脂肪酸酯（PHA），可以作为胞内NADH源，在饥饿期内促进难降解物质- - 氯代短链烃的好氧共代谢。以三氯乙烯（TCE）为代表的氯代短链烃很难支持好氧条件下的微生物生长，但是可以通过共代谢过程被完全降解。本研究拟使用有毒底物苯酚作为碳源培养好氧颗粒污泥，并使用相应表达的苯酚羟化酶共代谢去除TCE。拟通过改变各种反应器操作条件如进水苯酚浓度、C/N比、溶解氧水平等，研究污泥的稳定性和其中PHA积累的变化情况，并评价其相应的TCE共代谢活性。其次研究各操作条件下颗粒污泥中优势菌群和其相应的生化特性，并进一步探索使用有毒底物时PHA的合成机理和其控制条件。本课题旨在拓展胞内PHA积累在环境工程领域的应用，并优化好氧颗粒污泥系统以同时去除多种有毒难降解物质。

本项目的主要目的有三：第一、研究使用有毒工业废弃物苯酚在微生物中生产生物可降解塑料聚羟基脂肪酸酯PHA的可能性；第二、探讨此过程对于好氧颗粒污泥及其工艺的影响；第三、探索PHA积累对于三氯乙烯共代谢效率的效果。为了实现这些目的，首先进行了对于普通好氧活性污泥的驯化，使其逐步适应高浓度苯酚，并且开展了以苯酚为碳源的颗粒化过程。发现在驯化过程中使用双碳源（醋酸钠+苯酚）可以得到较为稳定的污泥，而使用单碳源（苯酚）则可加快颗粒化过程，为好氧颗粒污泥应用于有毒工业废水处理提供了指导。接下来研究分为两个方向，其一是使用前期得到的颗粒污泥进行反应器操作，分别实验了苯酚负荷与进水碳氮比（C/N）对于污泥稳定性、PHA含量、反应器效率的影响；其二则使用从反应器中得到的絮状污泥，系统性地研究了各个操作条件包括pH和溶解氧水平、C/N、无机营养物、负荷（F/M比）、投料方式、盐度和温度对于胞内PHA积累的影响。在前一项研究中，发现过低的苯酚负荷和过高的C/N对于颗粒污泥皆有负面效果，应当在实际操作中进行避免。从后一项实验中则整理得到了一整套使用苯酚为底物、批序式工艺为操作方式时、有利于胞内PHA积累的工艺条件，在世界范围内首次实现了具有工业化前景的、将有毒芳香族物质转化为可降解塑料的过程，为污染控制、废弃物再利用、节能减排提供了新思路。接下来初步进行了颗粒和絮状污泥中PHA含量与其三氯乙烯降解效率的相关性研究，发现其PHA含量并不是降解速率和容量的最大影响因素。最后则使用了分离纯化和遗传学手段，对驯化过程中的絮状污泥、各种条件下的好氧颗粒污泥进行了微生物多样性的分析，得到了若干具有苯酚降解能力的纯种菌，并系统性地研究了它们的苯酚和三氯乙烯降解能力。整体上来说本项目基本达到初步目的，在应用性和基础研究领域都有所建树。其突出贡献集中于工业化应用方向，在好氧颗粒污泥系统的建立、稳定和边界条件探索、以及有毒工业废水处理等方面取得了一定的成果。