富含微藻的颗粒污泥中胶凝型胞外多糖特性研究

At present, the increasingly serious pollution of water environment and the energy crisis force us to recycle the water, energy and nutrients from the wastewater. The high activity and excellent settling performance of "microalgae-rich granular sludge" make it feasible to convert sewage to microalgae biomass and achieve resource recovery. "Gel-forming exopolysaccharides" is vital in maintaining the structural stability of granules, but lacks of in-depth study. Through the construction of microalgal-bacterial symbiotic system, this project investigates the mass content of microalgae biomass in the granule during the steady operation of the process. The characteristics of the granule and pollutants removal are studied. The fine structure of gel-forming exopolysaccharides is acquired by using MALDI-TOF-MS, NMR, FTIR, AFM etc. Combined the fine structure with EPS matrix features, the characteristics of granular sludge, community structure, gene expression, etc., we can disclose the origin, synthesis mechanism and variation law of the gel-forming exopolysaccharides. The mechanism of steady operation of the microalgae-rich granular sludge is elucidated from the angle of gel-forming exopolysaccharides. The results of this research will provide significant information and technical support for the application of microalgal-bacterial mutualism in wastewater reuse.

当前，日益严重的水环境污染与能源危机迫使我们必须对污水中的水、能量和营养物进行回收。由于“富含微藻的颗粒污泥”活性高、沉淀性能好，能够有效将污水向微藻生物质转化，从而实现资源回收。“胶凝型胞外多糖”在维持颗粒结构稳定性方面极其重要，然而缺乏深入的研究。本项目通过构建藻菌共生系统，探索不同策略形成的富含微藻的颗粒污泥稳定运行条件和微藻生物质在颗粒中含量变化，并考察颗粒性质和污染物去除效能，采用MALDI-TOF-MS、NMR、FTIR、AFM等表征胶凝型胞外多糖以获得其精细结构，并结合EPS基质特征、颗粒污泥特性、群落结构、基因表达等，深入理解胶凝型胞外多糖的来源、合成机制及变化规律。从胶凝型胞外多糖的角度阐明富含微藻的颗粒污泥稳态机制。本项目研究可为藻菌共生颗粒应用于废水资源化提供理论基础和技术支持。

当前，耗能的污水厂正在将城市污水这种液态污染物转化为气态污染物（即温室气体）和固态污染物（即剩余污泥），而接收污水厂出水的水生态系统的逐渐恶化亦不可避免；近年来光驱动的藻-菌颗粒污泥工艺受到关注，可作为水-能源-资源厂和碳中和厂；藻-菌颗粒污泥微生物的胶凝型胞外多糖是维持颗粒污泥稳定运行的关键物质；故而，胶凝型胞外多糖的特性研究就摆在了水处理科研工作者面前。首次报道了高度自耦合藻-菌颗粒污泥，提出了聚磷藻的概念，其能够在无需曝气条件下实现污水的高效处理及温室气体减排。评价了温度、光强、新兴污染物对藻-菌颗粒污泥的影响。开发了连续流反应器，户外实验表明藻-菌颗粒污泥能够对含复杂碳源的污水进行高效处理，证实了其工程化的潜质，而二氧化碳的添加有望进一步实现城市污水的负-碳处理目标。粘性和亲水性的多糖在藻-菌颗粒污泥微生物聚集过程中起到重要作用，其主要存在于紧密结合型胞外聚合物中。进一步纯化了胞外多糖，发现藻-菌颗粒污泥的胞外多糖可具备凝胶状结构，在弱酸性和中性条件下不可复溶，而在弱碱性条件下溶解。葡萄糖、半乳糖、甘露糖、盐酸氨基葡萄糖、鼠李糖为其主要单糖组分，采用傅里叶红外光谱、甲基化分析、一维核磁、二维核磁等对藻-菌颗粒污泥的酸性多糖结构进行了表征。本项目结果有助于深入了解富含微藻的颗粒污泥的稳态机理，可为藻-菌颗粒污泥应用于环境可持续的污水处理及回用提供理论基础和技术支持。