温室气体N2O为电子受体条件下活性污泥胞内PHA的合成机制研究

Polyhydroxyalkanoates (PHA) are biodegradable polyesters which can be produced by microorganisms in activated sludge systems under feast/famine operation regimes. Nowadays, most reported studies on PHA bioproduction in activated sludge systems used oxygen as the electron acceptor. Nitrous oxide (N2O) is a well-known and potent greenhouse gas and is present as an important electron acceptor in activated sludge systems. However, until now, the exact mechanism regarding PHA production in activated sludge systems with N2O as the electron acceptor has yet to be revealed. Furthermore, the electron competition between different microorganisms with or without PHA production ability remains unknown. To this end, in this study, the influences of factors on PHA content/speciation and their chemical characteristics will be investigated using multidisciplinary experimentation in conjunction with mathematical modeling. The structural change and succession of microbial community in activated sludge systems will be analyzed. The electron competition between different microorganisms will be determined based on isotope tracer technology and material balance. Through implementation of the revised activated sludge models, the mechanism of PHA production in activated sludge systems will be explored. This study is expected to provide a fundamental knowledge and insightful support for sewage carbon resource recovery coupled with greenhouse gas reduction.

活性污泥微生物在底物充足/不足(Feast/Famine)交替运行条件下会在其胞内合成可生物降解塑料-聚羟基烷酸脂(PHA)。目前关于活性污泥合成PHA的研究主要集中在以氧气作为电子受体，而以温室气体氧化亚氮(N2O)这种活性污泥系统中重要的中间产物为电子受体合成PHA的规律尚未明晰。此外，活性污泥微生物在合成PHA时，系统中产PHA微生物和普通微生物(不产PHA)对电子供体和电子受体的竞争机制也依然未知。因此，本项目拟结合试验分析和数学模拟，研究N2O为电子受体时不同因素对活性污泥PHA合成及其化学特性的影响；解析活性污泥系统中微生物菌群结构变化及演替过程，结合同位素示踪技术和物料衡算，揭示系统中产PHA微生物和普通微生物之间的电子竞争机制，并基于数学模型，系统阐明以N2O为电子受体时活性污泥系统中PHA的合成机制，为实现污水碳源回收及温室气体消纳耦合提供理论依据。

活性污泥微生物可以利用氧气在其胞内合成聚羟基烷酸脂(PHA)，但是利用温室气体氧化亚氮(N2O)作为电子受体合成PHA的规律尚未明晰，且系统中产PHA微生物和普通微生物(不产PHA)对电子供体和电子受体的竞争机制也依然未知。因此，项目探索了活性污泥利用N2O合成PHA的可行性；明确PHA合成、PHA组分及化学特性对不同影响因素的响应；解析了连续运行系统中PHA合成规律、PHA合成菌属的丰度及PHA合成基因（phaC）表达量的变化规律；揭示PHA合成菌与非PHA合成菌间的竞争关系，并利用物料衡算定量模拟系统的碳源与电子流向。.研究结果表明，N2O作为电子受体时，碳源浓度增加可以提高污泥中PHA的合成速率和产率。以乙酸为碳源、pH为8时，PHA合成速率、含量和产率最大，分别为180.87 mgPHA/L/h、27.13%和0.30 Cmmol HA/Cmmol S。温度对PHA组分的影响不大，但是温度升高会提高PHA合成速率，降低PHA的含量和产率。以混合酸为碳源合成的PHA其热稳定性最好。连续运行结果表明在N2O浓度为6 mM时，污泥PHA含量最高，为28.11%，EPS总量最低；当N2O浓度超过6 mM时，污泥胞外EPS和SMP产量增加而PHA含量减少。增加碳源碳链长度会提高EPS含量和SMP浓度，用乙酸为碳源时，污泥PHA含量最高。.以N2O作为电子受体的污泥系统中微生物种群的多样性和丰富度显著降低，但具有PHA合成能力的变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门占比大幅增加。以乙酸为碳源、N2O浓度为6 mM时，具有PHA合成能力的陶厄氏菌属和反硝化菌属的相对丰度最高，系统phaC基因表达量最大。PHA合成菌与非PHA合成菌在驯化阶段存在显著的竞争关系，稳定阶段PHA合成菌内部也存在竞争关系。物料衡算定量模拟系统碳源与电子流向和分配，发现投加的碳源主要消耗途径为能量代谢与PHA合成，且能量代谢占比由前期的60%下降至后期的47%，而PHA合成占比则由34%上升至49%。稳定阶段，PHA合成菌与非PHA合成菌的碳源利用比例分别为88%和12%。该项目成果为实现污水碳源回收及温室气体消纳耦合提供了科学依据和技术支撑。