填埋场中甲烷-Fe(III)/ Fe(II)-硝氮交互作用关系及其微生物分子生态机理研究

Based on the bioreactor landfill, this research will reveal the interrelationship among methane, Fe(III)/Fe(II) and nitrate by using isotopic tracing, iron speciation analyses and electronic flow distribution calculation firstly. Subsequently, the main strains of nitrite-driven anaerobic methane oxidation (NAOM), iron-mediated anaerobic methane oxidation( FeAOM) and iron-supported autotropic denitritication (FeADN) will be explored by using high-throughput sequencing, computer indexing and isolation together. Finally, the effect of quorum sensing on substance metabolism-community dynamics and substance metabolism-functional gene expression could be clarified by analyzing the release of auto-inducers by the functional bacteria, quorum sensing induced by exogenous auto inducers and quorum quenching by quenching reagent. Moreover, effect of quorum sensing on the ecological controlling mechanism among methane, Fe(III)/Fe(II) and nitrate will also be elucidated. Results of this research will enrich the corresponding source reduction of methane and nitrogen technologies and methods, and also can elucidate the pollutant self-attenuation mechanism from metabolism, microbiological, and functional gene mediation together.

本项目以生物反应器填埋场为载体，首先通过稳定同位素示踪、铁元素形态分析并结合电子流向分配计算，揭示生活垃圾填埋场中甲烷、Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)和硝态氮之间的交互作用关系；其次，采用高通量测序、计算机检索并结合纯化培养分析，探明生活垃圾填埋场中参与硝酸型甲烷氧化（NAOM）、铁还原型甲烷氧化（FeAOM）和亚铁氧化型反硝化（FeADN）过程的主要微生物菌群；最终，利用功能菌群信号分子释放、外源信号分子添加并结合群体感应淬灭，分析群体感应对物质代谢-种群动态、物质代谢-功能基因表达的影响，探究群体感应对生活垃圾填埋场中甲烷、Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)和硝态氮三者交互作用过程的生态调控机理。项目的预期研究成果将丰富源头同步削减填埋场甲烷和氮素排放的手段，从物质代谢、微生物生态、功能基因表达调控多层面揭示填埋场污染物的自净机理。

本项目通过模拟生活垃圾填埋场的构建，采用碳、氮、铁负荷的改变，进行了TOC、NO3-/NO2-、 Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)全过程分析，结合电子流向分配计算，揭示了生物反应器填埋场中存在甲烷氧化、铁氧化还原、同步氮素转化的耦合过程；铁循环体系中氨氮浓度比传统的反硝化体系低4mmol·L-1，填埋场内铁的生物化学循环过程对于原位脱氮具有极大贡献。采集不同运行工况和不同填埋龄的生活垃圾样品，通过高通量测序明确了生活垃圾填埋场中菌群结构及丰度变化；填埋初始的原生垃圾中的微生物主要是变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes），其相对丰度分别为68.1%和25.7%，结构比较单一。稳定后则主要为变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）和蓝藻门（Cyanobacteria）。值得注意的是，互养菌门（Synergistetes）在甲烷氧化、铁氧化还原、同步氮素转化中具有重要作用。以变形菌门为模式菌株，探究了群体感应对生活垃圾填埋场中甲烷、Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)和硝态氮三者交互作用过程的生态调控机理。在铁存在情况下，群体感应主要通过调控非群体感应回路基因ppyR、mexT影响群体公共物质的分泌，从而对种群的稳定、甲烷氧化、铁氧化还原、同步氮素转化产生影响。群体感应对不同氮盐的响应存在显著差异，硝酸盐和亚硝酸盐使群体感应系统完整的菌株肩负了更多的公共物质代谢负担，同时使得群体感应缺失的菌株获得了较之合作者更高的生存优势，从而造成种群的不稳定。