多污染物多菌种生物降解复杂过程定量化研究

针对酚基多污染物多菌种生物降解复杂过程中的关键科学问题，开展以下三个方面的基础研究：阐明多种典型污染物质多种优势微生物菌种降解机理及交互作用机制，在代谢工程指导下，通过代谢网络分析与匹配进行定量化优势微生物菌群构建；分析和建立多底物多菌种复杂降解过程本征动力学模型方程，定量化描述多底物降解和多菌种生长的相互促进与限制规律；建立能够定量化描述多相鼓泡塔及气升式环流生物反应器中，多底物降解和多菌种生长特性的全流场三维瞬态时空多尺度计算流体力学理论模型，实现多相复杂生物反应过程的定量化模拟与直接放大。最终形成多污染物多菌种生物降解复杂过程定量化研究科学理论体系，促进环境生物技术研究领域乃至生物化工学科的深入发展。

含酚废水成分复杂，往往含有多种酚类化合物，如苯酚、间甲酚和4-氯酚，在其降解过程中存在复杂的相互作用。微生物菌群的代谢功能有机结合有利于复杂酚类化合物的协同降解。针对以上问题，开展了以下研究：.首先，以活性污泥为起始材料，成功筛选出了6株酚类降解菌，并得到三株优势菌株Pseudomonas sp. cbp1-3、Pseudomonas sp. df1和Ochrobactrum sp. cbp4。以优势菌株cbp1-3、df1和cbp4组成的混合菌群完全降解由苯酚、间甲酚和4-氯酚组成的混合酚所需时间缩短到16小时，且菌体量增大了100%。选取高效菌Pseudomonas sp. cbp1-3，进一步研究了苯酚、间甲酚和4-氯酚降解过程中的相互作用机制，通过模拟酶反应，建立了基于三底物的纯菌株生长本征动力学模型。模型和和实验数据点拟合程度较好。并且参数敏感性分析表明模型中底物相互作用参数fi 最具有敏感性，说明了底物之间的相互作用在菌体生长和酚类降解中起着很重要的作用。.其次，采用环境代谢组学手段，进一步研究了菌株cbp1-3降解苯酚和4-氯酚的底物相互作用机理。研究发现4-氯酚能够广谱性抑制细胞内含苯环的有机酸和醇的转化。与苯酚降解时相比，在4-氯酚降解时儿茶酚的积累水平上升到2.5倍，混合酚降解时其积累水平又下降到1.5倍，说明4-氯酚通过抑制儿茶酚的转化来抑制苯酚代谢，苯酚自身能够缓解这种抑制作用。苯酚能够促使4-氯酚经氢醌和苯三醇这一途径降解。.最后，分别建立了模拟气液固三相鼓泡塔及气升式环流生物反应器固定化热带假丝酵母细胞降解苯酚间歇过程降酚性能动态行为特征的三维瞬态CFD模型。通过实验测量数据与模型模拟结果进行比较，验证了模型的可靠性。同时应用该CFD模型分别合理预测了三相鼓泡塔及气升式环流生物反应器固定化苯酚降解过程中局部瞬态降酚性能的动态行为特征的时空分布。并对三相鼓泡塔和气升式环流生物反应器固定化热带假丝酵母苯酚降解性能的CFD模型模拟结果进行了比较，证实气升式环流生物反应器流型规整，苯酚降解性能优于鼓泡塔生物反应器。