高氨氮胁迫下膜曝气菌藻生物膜碳氮耦合转化与分子调控机制

Algal-bacterial biofilm has been paid more attentions for treating strong ammonia wastewater. Our previous study illustrated that the algal-bacterial membrane-aerated biofilm have higher resistance to strong ammonia stress and higher capability of ammonia removal, but the mechanism of this phenomenon has remained unclear. In this project, we plan to focus on the study of it based on mass transfer dynamics, metabolic pathway analysis and molecular microbial ecology methods and to investigate the physiological and ecological response of algal-bacterial biofilm to high ammonia stress. The stratified structure of membrane-aerated algal-bacterial biofilm will be dissected with the combination of fluorescence in situ hybridization and confocal laser scanning microscopy. The spatial distribution and transfer flux of substance in biofilm will be characterized with the multi-parameter microelectrode detection technique. Metabolic pathways of carbon and nitrogen transformation in biofilm with the stable isotope mass spectrometry and the quantification of functional gene expression. The mechanisms of algal-bacterial biofilm synergetic metabolisms of carbon and nitrogen and the enhanced resistance to strong ammonia stress will be clarified. The roles of signaling molecules of bacterial quorum sensing and algal phytohormone in regulating the algal-bacterial response to strong ammonia stress on basis of metabolic pathway analysis. The results from this project are expected to provide theoretical fundamentals and technical support for the applications of membrane-aerated algal-bacterial biofilm on treating strong ammonia wastewater.

利用菌藻生物膜处理高氨氮废水的技术得到日益广泛的关注。前期研究发现膜曝气菌藻生物膜具有增强的耐受高氨氮胁迫和去除氨氮的能力，但其内在机理尚不明确。本项目以膜曝气菌藻生物膜为研究对象，综合利用传质动力学、代谢途径分析和微生物分子生态学的理论和方法，深入剖析菌藻生物膜对高氨氮胁迫的生理生态响应规律。利用荧光原位杂交技术与激光共聚焦扫描显微观察联用技术，探明膜曝气菌藻生物膜的分层结构；在此基础上，利用多参数微电极联合测定技术，表征不同工况下菌藻生物膜内基质的空间分布及其传质通量；利用稳定同位素比质谱和功能基因表达定量分析技术，探索菌藻生物膜的碳氮代谢转化途径，阐明膜曝气菌藻生物膜应对高氨氮胁迫并实现碳氮耦合转化的机制；并利用代谢通路分析法来研究细菌群体感应和植物激素等信号物质对菌藻生物膜应对高氨氮胁迫的调控机制。项目成果为菌藻膜曝气生物膜在高氨氮废水处理中的应用提供理论依据和技术支持。

菌藻生物膜在污水处理和资源化领域得到日益广泛的关注。研究高氨氮胁迫下膜曝气菌藻生物膜（MABR）的碳氮耦合代谢机制，具有重要的理论意义和应用价值。本项目以膜曝气菌藻生物膜为研究对象，重点分析了膜曝气菌藻生物膜内碳氮耦合代谢过程，探究菌藻生物膜对高氨氮胁迫的生理生态响应机制。研究发现：（1）当进水氨氮负荷在12.54gN/(m2∙d)以下时，随进水负荷增加，菌藻MABR氨氮去除负荷提高，可达4.74gN/(m2∙d)，氨氧化和硝化功能基因（amoA和nxrA）丰度下降，但是微藻光合作用功能基因（rbcL）丰度提高，微藻同化利用碳氮的活性增加，实现碳氮耦合代谢。（2）菌藻MABR内生物膜中紧密型胞外多聚物（TB-EPS）含量占总胞外多聚物（EPS）含量的比例均高于硝化MABR。菌藻共生系统分泌至微环境中的溶解性代谢产物（SMP）和EPS有利于提高微生物应对环境变化的能力，提高系统对高氨氮的耐受力。（3）利用溶解氧、pH、ORP等微电极技术，原位定量分析了菌藻生物膜内基质空间分布及其传质通量，当二氧化碳分压在14.3%以下时，提高二氧化碳分压有利于增加菌藻生物膜系统的氨氮去除负荷，微生物群落结构多样性升高，但是过高的二氧化碳分压（大于14.3%）会造成菌藻膜可利用的氧传质通量降低，导致氨氧化功能基因（amoA）和微藻光合作用功能基因（rbcL）丰度下降。（4）随着二氧化碳分压的升高，菌藻膜曝气生物膜分泌的松散型胞外多聚物（LB-EPS）先升高后显著下降，TB-EPS比硝化菌膜曝气生物膜占总EPS的组成比例有所增加。（5）项目还将菌藻膜曝气生物膜系统用于处理实际养猪沼液，能达到较好的氨氮去除效果，氨氮去除负荷可达到2.83 gN/(m2∙d)。接种微藻后能使硝化生物膜中物种丰富度增加，但群落生物多样性下降。菌藻生物膜内大部分硝化功能菌属与进水COD呈较强的负相关性，菌藻共生微环境能增加亚硝酸盐氧化菌群（NOB）对环境的耐受力，并且增加了nxrA基因的表达。本项目研究成果为菌藻膜曝气生物膜技术的工程应用提供了理论基础和技术支持。