右旋氨基酸对废水处理微生物聚集体形成和稳定的影响机制

Biological treatment is one of the most widely used wastewater treatment processes. The formation and stability of microbial aggregates in bioreactors significantly influence the treatment efficiency and effluent quality of bioreactors. However, the mechanism of the formation and stability of microbial aggregates is still unclear so far. The recent discovery found D-amino acids (D-AAs) commonly produced by bacteria can trigger bioiflm disassembly at very low concentrations, and the release of rapid diffused small molecule D-amino acid could be a signal to coordinate the whole population action to different environment. However, reports about the roles of different D-AAs in microbial aggregates formation and stability are still rather limited. Therefore, the main objective of this study was to investigate the influences of D-AAs on the formation and stability of microbial aggregates. To this end, we need to: reveal the individual and synergistic effects of different kinds of D-AAs on the formation and disassembly of microbial aggregates in bioreactors by combined use of chemical, spectroscopic, and microscopic approaches; correlate the effect of D-AAs with the stability of microbial aggregates, and treatment efficiency of the bioreactors; elucidate the mechanism behind the D-AAs regulated formation and stability of microbial aggregates. It will be beneficial for the artificial regulation of the microbial aggregates, and improvement of the biological wastewater system with high-efficiency and long-term operation by launching this project.

废水生物处理是水污染控制的主要手段，而反应器中的微生物聚集体的结构、性质和稳定性影响着生物处理系统的处理效率和稳定运行。微生物聚集体形成和稳定的内在机理，迄今为止尚不明确。右旋氨基酸（D-AAs）能够诱发微生物聚集体结构中起着重要连接作用的淀粉纤维的释放，抑制生物膜的形成，导致成熟生物膜的解体，而其如何影响微生物聚集体的形成和稳定尚未见报道。本课题拟通过开展D-AAs对废水处理微生物聚集体形成和稳定的影响的研究，结合多种化学、光谱学分析方法以及显微成像技术，明确不同D-AAs对微生物聚集体形成和稳定的作用规律；构建D-AAs与微生物聚集体形成稳定和反应器状态之间的响应关系，揭示D-AAs功能与微生物聚集体形成和稳定之间的内在联系。通过本课题的顺利实施，以期为实现对微生物聚集体的人为调控，提高废水处理系统长期稳定运行提供理论指导。

在国家自然科学基金青年基金的资助下，通过综合利用多种化学、光谱学分析方法以及显微成像技术对右旋氨基酸影响的废水处理微生物聚集体的形成与稳定机制进行了深入系统的研究。首先以Escherichia coli JM109为模式微生物，系统分析了不同浓度右旋酪氨酸对细菌表面初试粘附的影响，探讨了右旋氨基酸对细菌表面理化性质、粘附力的影响过程，利用扩展的DLVO理论分析了右旋氨基酸诱导的细菌初始粘度的表面热力学机理；其次，针对Pseudomonas aeruginosa生物膜形成的影响机理，研究了不同类型右旋氨基酸对细菌生物膜生物量、细菌运动性、微生物胞外聚合物分泌量以及细菌自主聚集性等的作用规律；最后，通过活性污泥水力剪切稳定性试验，考察了右旋酪氨酸作用下，污泥表面亲疏水性、表面电荷、以及初级粒子之间的粘附自由能、污泥胞外聚合物含量的变化规律，阐明了右旋酪氨酸对活性污泥絮体稳定性的影响效应，深入研究了右旋酪氨酸对微生物聚集体的影响机制。这些结果初步揭示了在外部环境条件下废水处理微生物聚集体形成与稳定的热力学机制，为实现微生物聚集体的人为调控提供了可靠的理论依据。该课题资助的研究成果已在国际SCI源刊物发表论文3篇，授权发表专利1项。