反硝化型甲烷厌氧氧化机理及工艺调控策略的研究

以氨为电子供体还原亚硝酸盐的厌氧氨氧化是最近环境科学与工程领域的一个重大发现，以此为基础研发的厌氧氨氧化脱氮工艺由于运行费用省、污染物排放少已成为新型生物脱氮技术的首选工艺之一。用甲烷替代氨作为电子供体还原亚硝酸盐反硝化型甲烷厌氧氧化也已被发现，由于其反应底物是亚硝酸盐和甲烷，利用这一反应可以实现对亚硝酸盐和甲烷两种污染物的同步去除，因此在环境工程领域也具有很高的开发价值。但迄今为止，人们对反硝化型甲烷厌氧氧化的反应条件和机理还缺乏必要的研究。搞清该反应的适宜条件、确认参与该反应的微生物、解析该反应的微生物学机理，不仅有助于深化人们对反硝化菌和甲烷厌氧氧化菌的认识，丰富微生物学内容；也有助于促进该反应的开发应用，研创新型低耗的厌氧生物脱氮除碳技术，在推动新型反硝化脱氮技术发展的同时减少温室气体甲烷的排放。

反硝化型甲烷厌氧氧化（DAMO）是新发现的生物反应，耦合了反硝化和甲烷的厌氧氧化过程。由于其可同时去除硝酸盐和甲烷两种物质，可研发新型生物脱氮除碳工艺；将CH4氧化为CO2则可显著降低温室效应，因此该反应的发现具有重要的工程意义和生态意义，是当前环境领域的研究热点之一。但DAMO菌的生长非常缓慢，已成为该反应进一步研究及工程化应用的瓶颈。探明其存在生境、参与的微生物及最适反应条件对于加快该反应富集培养物的获得，促进该反应的机理研究及工程化应用具有重要的意义。针对上述问题，本项目开展了系统的研究，圆满完成了计划任务，取得了以下的成果：1）在不同的生态系统如湖泊沉积物、河流沉积物、农田水稻土、不同湿地、河口、潮间带、近海沉积物中都发现了DAMO菌的存在及活性，首次证实了DAMO过程是淡水湿地系统被忽视的甲烷汇。2）以产甲烷颗粒污泥、农田水稻土和河道沉积物为接种物，成功获得了优势菌都是NC10门Group A的三种DAMO菌富集物，比活性为0.8-1.4 μmol CH4 h-1 g-1 VSS，农田水稻土是最优接种物。3）比较了天然培养基和人工培养基对DAMO菌富集培养的影响，结果表明人工培养是较优的培养基，而且用该培养基富集获得了具DAMO活性但优势菌为Group B的富集物，表明NC10门Group B菌也可能具DAMO功能。4）为加快DAMO菌的富集速度，优化了人工培养基的主要成分，优化后的配方含0.3 g L-1 CaCl2，0.2 g L-1 MgSO4，0.3 g L-1 KH2PO4和0.2 g L-1 KHCO3。5）研究了环境条件对DAMO菌代谢和生长的影响，最优的环境条件为35 oC，pH7.6及盐度0 g NaCl L-1。在盐度对DAMO菌的长期影响试验中，发现淡水DAMO菌具盐度适应能力。6）以海滩沉积物为接种物，原位海水加基质为培养基，成功富集了耐盐的海洋DAMO菌，证实海洋DAMO菌的存在。7）调查了反应器构型对DAMO菌富集培养的影响，发现自主设计的磁搅气升式反应器具最佳工作性能。8）在富集过程监测了反硝化活性和反硝化菌数量的变化，发现反硝化菌是DAMO菌的重要伴生菌。9）根据DAMO菌的动力学特性，建立了首个DAMO模型并用于反应器的运行调控。本项目中的研究成果不仅丰富了DAMO菌的知识，还为将来的科学理论研究和工程应用研究提供了基础。