有毒碳源胁迫下厌氧反硝化-氨氧化处置硝酸盐废液的微生物机制

The high-nitrate waste liquid is characteristic of high NO3- concentration (0.5%-50%), high salinity, and including complicated components of heavy metals, ammonia, organic nitrogen, and organics, and its disposal is a great challenge. Denitrification is highly-efficient, adaptive, and cost effective, and its potentially applicable for the disposal of high-nitrate waste liquid. This project focuses on this issue and the constraint condition, and systematically investigates the efficiency of denitrification and anaerobic ammonia oxidation (Anammox). After that, the bacterial genus character, physiologic and biochemical function, and the molecular biological mechanism are to be carefully characterized. Additionally, this project aims to illustrate the pressure response property of microorganisms towards toxic organics, and to indicate the pathways, mass balance, and contributive ratios of different genes involved in the nitrogen species transformation by 15N isotopic tracing method. Furthermore, the technical strategy for the simultaneous disposal of high-nitrate and high organic waste liquids is to be proposed and the key parameters to be well optimized. This project can potentially provide fundamental support to resolve the difficulties in waste liquid disposal field.

高浓度硝酸盐（NO3-）废液NO3-浓度高（0.5%-50%）、盐度高、成分复杂（含重金属、氨氮、有机氮、有机物等），是废液处置领域的重要难题。生物反硝化具有效率高、适应性强、成本低等优点，具有潜在的应用可能。本项目围绕高浓度硝酸盐废液异养反硝化处置问题，以高盐、有毒碳源和复杂氮源体系为约束条件，系统研究反硝化菌去除NO3-与厌氧氨氧化菌（Anammox）去除氨氮性能，表征微生物菌属特征、生理生化特性以及分子生物学特征，揭示有毒碳源胁迫条件下微生物的压力响应特性，采用15N同位素示踪法定量确定不同形态氮的形态转化途径、通量归趋模式以及不同功能基因（酶）贡献率，构建厌氧产酸-反硝化协同处置硝酸盐废液与有机废液的工艺模式并优化确定关键水质和工艺要素，为解决典型工业废液处置难题提供基础性支撑。

高浓度硝酸盐（NO3-）废液NO3-浓度高（0.5%-50%）、盐度高、成分复杂（含重金属、氨氮、有机氮、有机物等），是废液处置领域的重要难题。生物反硝化具有效率高、适应性强、成本低等优点，具有潜在的应用可能。本项目围绕高浓度硝酸盐废液异养反硝化处置问题，以高盐、有毒碳源和复杂氮源体系为约束条件，通过筛选具有高毒、高盐耐受性的反硝化菌，研究胁迫条件下高耐受反硝化菌代谢和转录响应机制，反硝化微生物膜电位的降低、抑制电子传输链系统种间电子传递是抑制反硝化性能的关键；通过研究典型高毒有机物毒性效应，构建厌氧反硝化反应器实现了高浓度硝酸盐和典型有毒芳香类污染物的协同降解，微生物通过调节胞外聚合物（EPS）实现自我保护，高胁迫条件下微生物菌群氨基酸代谢和膜转运蛋白功能的高丰度表达促进了EPS的代谢，提出了投加钙离子调控EPS浓度强化颗粒污泥强度的方法。建立厌氧膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB），揭示了进水硝酸盐负荷逐步提升过程中EPS组成、微生物群落结构特征与演化规律，在此基础上建立有机废液厌氧产酸和硝酸盐废液厌氧反硝化反应器，以典型行业废液为对象阐明实现产酸、反硝化协同调控的关键要素与过程机制，同时采用能值分析有机废液与硝酸盐废液协同处置工艺具有更低的环境压力和更高的可持续的生产效率优势。本项目培养硕/博研究生4名；发表SCI论文4篇；申请国内发明专利6项，其中获授权2项；在NCBI/GenBank 登记高耐受反硝化菌种3组。此外，以本项目研究为基础，申请人或所在团队成功获得中国科学院重点部署项目“典型行业废液资源化回收与污染控制技术及应用示范”（ZDRW-ZS-2016-5-4）、国家重点研发计划项目“典型行业高浓危废无害化处理与资源化利用”（2019YFC1907600）、国家自然科学基金杰出青年科学基金“水中有毒无机物控制与资源化”（51925807）等项目资助；技术成果成功应用于6项高浓度硝酸盐废液或废水处理工程。