基于外源相容性渗透保护剂调节渗透压原理强化高盐有机废水厌氧消化研究

Biological inhibition is the bottleneck of biological wastewater treatment process caused by high salt contents. Conventional process optimization and acclimation could improve the efficiency of biological process to some extent, but the disadvantages of complicated process and long acclimation period make the process less desirable. According to the salt-tolerance mechanism, by which the microorganisms cope with salt stress through the transformation and accumulation of osmoprotectants, this project is designed to improve the efficiency of anaerobic digestion of saline wastewater through exogenously dosing the osmoprotectants. Based on our previous experimental results, we further investigate the effects of salt contents and osmoprotectants on the performance of anaerobic digestion of saline wastewater in the views of excretive substances of cell, key enzyme activity and cellular energy level (ATP and NADPH). In addition, we explore the kinetics of uptake and release of osmoprotectants by anaerobic microorganisms in order to elucidate the rule of fate and transformation of osmoprotectants in the conditions of anaerobic digestion. Finally, we intend to elucidate the action mechanism of osmoprotectants enhancing anaerobic digestion of saline wastewater at the level of microbial consortia. The value of the project is that people could find an alternative strategy to enhance anaerobic digestion of saline wastewater in practical application.

生物抑制作用一直是高盐废水生物处理的瓶颈问题。虽然常规的工艺优化和污泥培养驯化一定程度上增强了高盐废水的生物处理效率，但仍然存在工艺复杂、培养驯化时间长的弊端。本研究从微生物耐盐机理出发，基于生物合成和转运相容性渗透保护剂(osmoprotectants)来对抗高盐胁迫的功能，通过外源添加廉价易得的相容性渗透保护剂，使淡水厌氧微生物在不改变生理状态的情况下获得耐盐能力, 达到高效处理含盐废水的目的。在前期研究的基础上，本研究从细胞代谢分泌物(EPS和SMP)、厌氧过程关键酶活性和细胞代谢能量水平(ATP和NADPH)等角度，系统考察盐浓度和渗透保护剂对厌氧消化性能的影响；探讨厌氧微生物吸收释放渗透保护剂的动力学模式，揭示渗透保护剂在厌氧条件下的迁移转化规律；从微生物菌群层面上，解析渗透保护剂在高盐厌氧消化条件下的作用机制。通过本项目的研究，将为强化高盐废水厌氧消化提供一种全新的策略。

生物抑制作用一直是高盐废水生物处理的瓶颈问题。虽然常规的工艺优化和污泥培养驯化一定程度上增强了高盐废水的生物处理效率，但仍然存在工艺复杂、培养驯化时间长的弊端。本研究从微生物耐盐机理出发，基于生物合成和转运相容性渗透保护剂(osmoprotectants)来对抗高盐胁迫的功能，通过外源添加廉价易得的相容性渗透保护剂，使淡水厌氧微生物在不改变生理状态的情况下获得耐盐能力，达到高效处理含盐废水的目的。本研究发现甜菜碱是最有效的外源性渗透保护剂。外源添加的甜菜碱在5天后就降到了检测限以下，大量的外源性渗透保护剂被转运到了细胞内，第二次进料发现胞内的渗透保护剂被很好的保存下来并依然发挥渗透保护功能。甜菜碱的添加对微生物活性影响的研究发现甜菜碱有效促进了水解酸化过程中产乙酸菌的活性，以及乙酸甲烷化菌的活性，但是对丙酸产生菌和降解的菌群没有明显的效果。高通量分析发现甜菜碱的添加同时也促进了氢型甲烷菌的增长。我们还针对盐波动问题研究了渗透保护剂的添加策略，结果发现虽然提前添加无法实现抵抗可预测性盐度冲击的作用，但是而针对不可预测性盐度波动，滞后添加渗透保护剂可以使盐抑制的微生物快速恢复活性。本课题研究系统考察了盐浓度和渗透保护剂对厌氧消化性能的影响，阐释了渗透保护剂在厌氧条件下的迁移转化规律，从微生物菌群层面上，揭示了渗透保护剂在高盐厌氧消化条件下的作用机制，为强化高盐废水厌氧消化提供了一种全新的策略。