光合细菌-微藻耦合体系提高碳氮磷元素循环效率的物质能量代谢机理研究

Environmental-Enhancing Energy (E2-Energy) system can realize nutrients recycling in wastewater and biofuel production, and the recycling efficiency of nitrogen and phosphorous in biofuel production wastewater is the key point. The current microalgae wastewater treatment methods used for nitrogen and phosphorous cycling has the problem of low treatment efficiency and low biomass production, which severely limited the development of this E2-Enenrgy. Based on the above questions,in this work, from the angle of the unique characteristics and physiological-biochemical characteristics of microbe, photosynthetic bacteria (PSB)-microalgae system was constructed. In this work, the substance and energy metabolic pathways will be investigated thoroughly. The ecological factor which influence the nutrients cycle and biomass accumulation will be clarified and optimize. The existing form, the migration processing, the transformation mechanism and the fate of carbon, nitrogen and phosphorus will be analyzed. The energy metablic mechanism in photosynthetic effect and respiration effect will be analyzed. The carbon skin effect and circle and accumulation effect of nutrients will be clarified. All above studies will determine the ecological factor and regulation level which influence the cycling effect of carbon, nitrogen and phosphorus, reveal the regular pattern of migrate and transformation for carbon, nitrogen and phosphorus in this system, clarify the coupling effect of photosynthetic bacteria and microalgae on substance and energy metabolic mechanism, implement and consummate the interaction theory between population, and finally to promote the carbon, nitrogen and phosphorus cycling effect and biomass accumulation, and lay a foundation for the efficient operation for the E2-Energy system.

环境增值能源系统能实现废水中营养物质循环利用与生物质原油生产，而废水中氮磷元素的循环利用效率是该系统运转的关键点。该系统中现行微藻废水处理方法存在氮磷元素循环效率低、生物产量低等问题，严重限制了该系统发展。针对上述问题，本项目从废水性质与微生物生理生化特性出发，提出构建光合细菌-微藻耦合体系；通过深入研究该系统中物质能量代谢途径，明确并优化系统中影响碳氮磷元素循环与生物量累积主要因素，解析系统中碳氮磷元素的存在形态、迁移过程、转化机理与归趋；解析该体系中光合代谢与呼吸代谢中产能代谢机理；并探明该系统的碳汇作用与氮磷元素循环累积效应。以上研究将明确影响该系统碳氮磷元素循环的生态因子及调控水平，揭示碳氮磷循环机理，阐明光合细菌与微藻的物质代谢与能量代谢耦合作用机制，补充与完善光合细菌与微藻种群相互作用理论，为提高环境增值能源系统中碳氮磷元素循环效率、生物量累积，实现其高效运转提供理论依据。

环境增值能源系统能实现废水中营养物质循环利用与生物质原油生产，而废水中氮磷元素的循环利用效率是该系统运转的关键点。本研究以提高系统的碳氮磷元素循环利用效率以及生物量为目标，在全面分析了热化学废水性质的前提下，从微生物生理生化特性出发，构建了光合细菌-微藻耦合体系，实现了80%以上的营养元素回收；解析了废水生产原料与分离方式对系统营养元素回收效果的影响，结果表明，热化学反应原料及废水分离方式极大影响了微藻耐受热化学废水浓度的能力，在高脂低蛋白原料以及有机溶剂萃取条件下，微藻耐受污染物浓度提高2.5倍。明确、优化并解析了系统中影响碳氮磷元素循环与生物量累积主要因素，确定了系统中碳氮磷元素的存在形态、迁移过程、转化机理与归趋。经过热化学废水驯化，并进行无机碳定向诱导后的微藻，在最适的污水浓度，接种量，光照条件下，能将微藻耐受污染物浓度、营养元素回收水平以及生物产量分别提高80%，40%以及20%以上。确定了该体系中光合代谢与呼吸代谢中对营养物质利用及生物质生产作用关系的代谢机理，阐明了异养作用在微藻生长过程中的主导作用。另外，在该系统的能量代谢方面，微藻的氧化磷酸化代谢方式对营养物质的代谢比例占60%以上。在兼性代谢过程中，微藻对营养元素的吸收效率大于单独自养及异养效果，其中光合磷酸化对氧化磷酸化起到了促进作用。以上研究结果明确了该系统碳氮磷元素循环的生态因子及调控水平，揭示碳氮磷循环机理，提高了环境增值能源系统中碳氮磷元素循环效率与生物量累积，阐明光合细菌与微藻的物质代谢与能量代谢耦合作用机制，从微藻生物质生产工艺及生理生化两个角度给出了优化生物质生产和提高环境增值能源运行效率的方向，具有较强的理论意义和实用价值。