基于多组学技术的异位发酵体系除臭过程中氨氧化机理研究

The ectopic fermentation system (EFS) is a zero-pollution emission environmental protection technology, which dynamically works by the inoculation of complex microbial agent and successive supplementation of the collected cow wastewater and manure. It is advanced than common static fermentation that this continuous fermentation system is relatively stable and not easy to be influenced by the environmental conditions. The system is mainly used to solve the problem of NH3 generated by continuous treatment of wastewater with the microbial nitrification in the aerobic fermentation process, involving ammonia oxidation and nitrite oxidation. Earlier studies focused on improving the performance and effects of EFS, but the research of specific substances changes and the related molecular mechanism during the ammonia oxidation has not yet been carried out. Based on the earlier investigates, here we introduce the stable isotope labeling method and multi-omics technology to analyze the EFS deodorization process. The transformation characteristics of nitrogen forms will be detected through 15N labeling method and network pathway related to ammonia oxidation will be built by combining high-throughput sequencing, metagenomics and metatranscriptomics technology. The gene function, expression and metabolic pathways will be associated. The influence of different environmental factors on ammonia oxidation gene expression will be analyzed. It hoped that the results of this study will provide a theoretical basis for the ammonia oxidation mechanism study in the process of deodorization and further improvement of EFS in order to reduce environmental pollution and increase the nitrogen conversion efficiency.

异位发酵体系（EFS）是一种利用微生物进行畜禽粪尿持续动态发酵的无污染、零排放的环保技术。该系统主要利用环境微生物转化在好氧发酵处理废水的过程中产生的氨等臭气，涉及氨氧化等氮代谢步骤。利用EFS转化氨氮可有效降低污染、提高资源回收利用率，目前实践效果良好。但是对于EFS除臭过程中氨氧化阶段的具体物质变化及相关分子机制还尚未研究。在前期工作的基础上，本项目拟引入稳定同位素标记技术和多组学分子生态技术，通过15N标记法研究EFS除臭过程中含氮化合物形态转化的具体过程，结合高通量测序、宏基因组及宏转录组学技术构建氨氧化相关代谢通路，将基因功能、表达与代谢途径相关联，并研究不同环境因子对EFS除臭过程中氨氧化相关基因表达的影响，旨在明确氨氧化过程中体系内微生物相关功能基因在不同条件下的表达规律及其在氮代谢通路中起到的主要作用，为进一步改良EFS，以降低环境污染及提高氮素转化率提供理论依据。

异位发酵体系（EFS）是一种利用微生物进行畜禽粪污持续动态发酵的无污染、零排放的环保技术。该系统主要利用环境微生物转化在好氧发酵处理废水的过程中产生的氨等臭气，涉及氨氧化等氮代谢步骤。利用EFS转化氨氮可有效降低污染、提高资源回收利用率，目前实践效果良好。但是对于EFS除臭过程中氨氧化阶段的具体物质变化及相关分子机制还尚未研究。在前期工作的基础上，本项目采用凯氏定氮仪和AA3流动分析仪测定EFS主要氮素存在形式TN、NH4+-N和NO3--N，发现随着EFS发酵进行，体系内NH4+-N，NO3--N和TN含量均呈现增高趋势，其中大部分氮素以有机氮的形式存在，其余少部分氮通过功能微生物的转化作用，以NH4+-N和NO3--N为主的无机氮形式存在。另外，成功采用15N稳定同位素技术对EFS中含氮化合物进行了标记。利用高通量测序技术研究了EFS好氧发酵除臭过程中涉及的关键功能基因及功能微生物，发现EFS中氮转化相关功能基因amoA、nirK和nosZ，并探明了主要的功能微生物类群及群落结构。amoA对应的氨氧化功能微生物的物种丰富度和群落多样性均呈现增高趋势，而nirK和nosZ对应的反硝化功能微生物的物种丰富度和群落多样性呈现显著下降趋势。初步明确了EFS的除氨保氮作用，即随着发酵的进行，EFS体系内的氨氧化功能微生物占比增高而反硝化功能微生物占比减少。这样有利于减少NH3，NO和N2O等有害气体的释放，增强对生态环境的保护。结合不同环境因子对EFS除臭过程中功能基因的影响，研究了功能微生物适宜的发酵环境以及环境因子对功能微生物的影响，并确定了环境因子对微生物群落变化的贡献率。该研究成果在明确氨氧化过程中体系内微生物相关功能基因在不同条件下的表达规律及其在氮代谢通路中起到的主要作用，为明确EFS除氨保氮分子作用机制奠定基础，为进一步改良EFS，以降低环境污染及提高氮素转化率提供理论依据。