厌氧消化系统主要功能菌群的信号调节机制及控制策略

Anaerobic digestion of organics can be carried out thoroughly only with the synergistic growth and metabolism of fermentative acidogens, hydrogen-producing acetogens, methanogens and so no. Hydrogen-producing acetogenesis and methanogenesis has been identified as the rate-limiting reactions in anaerobic digestion. Breakthrough of the rate-limiting reactions is of significance to the enhancement of pollutant removal and the stability in performance of the process. Though the rate-limiting of hydrogen-producing acetogenesis has been widely accepted, it is not clear about the cooperative behavior of hydrogen-producing acetogens with other bacterial population such as fermentative acidogens, methanogens and so on, resulting in a disadvantage to the development of anaerobic wastewater treatment technology. Here, a proposal, titled Regulation Mechanism and Control Strategy of Signal Molecules of Dominating Bacterial Populations in Anaerobic Digestion Process is presented. To develop an anaerobic digestion process with high efficiency, hydrogen-producing acetogenesis and methanogenesis will be enhanced by regulating the quorum sensing (QS) of dominating bacterial populations in anaerobic digestion. The presented research will focus on: 1) to identify the specific signal molecule(s) of each dominating bacterial population; 2) to clarify the QS mechanism of hydrogen-producing acetogenic and methanogenic populations, and the response mechanism of hydrogen-producing acetogenic population to the signal molecules released from other dominating bacterial populations; 3) to analyze the function of QS communication system in anaerobic granulation; 4) to reveal the relationship of the key signal molecules with operation parameters as well as the efficiency in pollutant removal; 5) to put forward a QS regulation strategy for the enhancement of hydrogen-producing acetogenesis and methanogenesis in anaerobic digestion.

克服产氢产乙酸反应和产甲烷反应对厌氧消化进程的限速作用，是进一步提高厌氧消化系统的效能和运行稳定性的关键。其中，有关产氢产乙酸菌群及其与产酸发酵菌群和产甲烷菌群之间的协同行为，目前的研究还不深入，限制了厌氧生物处理理论和技术的发展。本项目拟通过对厌氧消化系统中产酸发酵菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的群体感应（QS）系统研究，明晰各类功能菌群特征QS信号分子，阐明产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的QS机制，以及产氢产乙酸菌群对其他功能菌群QS信号分子的响应机制，解析QS信号系统在厌氧活性污泥颗粒化进程中的作用，揭示QS信号分子变化规律与系统运行控制条件及处理效能之间的关系，提出强化产氢产乙酸和产甲烷作用的QS调控策略，在厌氧生物处理理论研究取得一定突破的同时，为研发基于QS信号分子调控的，强化产氢产乙酸和产甲烷作用的厌氧消化调控技术奠定基础。

大量城镇污水和工业废水的排放是最主要的水体污染源，给城市水系统生态安全带来了严重威胁。为提升城市水系统生态安全保障的科技支撑能力，深入研究和推广先进且适用的污水和废水处理技术，是国家的重要战略决策。与好氧生物处理相比，有机废水的厌氧生物处理具有处理负荷高、能耗低，并可回收可再生能源沼气的优点，得到了广泛研究和应用，但也存在处理时间长、基建投资大、系统易受负荷冲击和其他控制条件改变的影响等不足。为进一步提高厌氧消化系统的效能和运行稳定性，必须在厌氧消化理论研究方面有所突破，为技术的创新发展提供支撑。其中，如何克服产氢产乙酸反应和产甲烷反应对厌氧消化过程的限速作用一直是国际前沿研究课题。项目组以工程实践广泛应用的升流式厌氧污泥床（UASB）反应器的启动和调控运行为基础，通过对厌氧消化系统中产酸发酵菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的群体感应（QS）系统研究，明晰了各类功能菌群特征QS信号分子，阐明了产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的QS机制，以及产氢产乙酸菌群对其他功能菌群QS信号分子的响应机制；解析了QS信号系统在厌氧活性污泥颗粒化进程中的作用，揭示了QS信号分子变化规律与系统运行控制条件及处理效能之间的关系，提出了强化产氢产乙酸和产甲烷作用的QS调控策略。这些研究成果，从活性污泥微生物群体感应及其介导的群体行为角度丰富和发展了厌氧生物处理理论，为克服产氢产乙酸和产甲烷菌群代谢对厌氧消化过程的限制作用，进一步提高厌氧生物处理的效能提供了理论和方法指导。项目组还在微氧废水处理系统功能菌群的特征信号分子与脱氮机制、亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化菌的富集培养技术、秸秆丁酸-丁醇发酵效能强化技术与机制、高氨氮低碳氮比有机废水生物脱氮处理工艺及调控技术等方面开展了拓展性探索研究，取得了更多创新性成果，促进了多学科交叉融合发展与环境生态工程技术进步。