群体感应信号分子（AHLs）强化好氧-厌氧氨氧化颗粒污泥形成的机制研究和方法开发

Partial Nitritation-Anammox process holds great potential to remove nitrogen from high-strength ammonium wastewater with low organic matter content. Granulation of aerobic ammonia-oxidizing bacteria (AerAOB) and anoxic ammonia-oxidizing bacteria (AnAOB) could achieve high biomass concentration followed high rate of nitrogen removal in one reactor even with short hydraulic retention time. However, to achieve granular sludge of partial nitritation-anammox remains a major challenge. The mechanism underlying granule formation with partial nitritation-anammox is still subject to discussion and investigation. Quorum sensing is based on the microbial production of signal molecules and plays a significant role coordinating biofilm formation. This project is proposed to investigate the behavior and role of quorum sensing signals for partial nitritation-anammox granule formation. Using thin-layer chromatography (TLC), biosensor et al techniques, quorum sensing signals will be identified during sludge granulation dominated with AerAOB and AnAOB. The effect of identified quorum sensing signals (AHLs) on biological characteristics of AerAOB and AnAOB will be test by suppression subtractive hybridization (SSH), 454 sequencing et al techniques. Throughout the experimental study to investigate how quorum sensing signals could enhance aggregation of AerAOB and AnAOB and improve partial nitritation-anammox granule formation. The research findings will help to establish a creative technical approach to improve partial nitritation-anammox granulation by adding quorum sensing signals, which will lead to significant advancement in nitrogen removal of wastewater in China and elsewhere.

半程好氧氨氧化-厌氧氨氧化工艺是一种高效节能的用于处理缺乏有机碳含氮废水的生物脱氮方法。好氧-厌氧氨氧化菌聚集生长形成颗粒污泥后，使单个反应器在较短水力停留时间下也能具备高浓度生物量，实现高效脱氮。但目前好氧-厌氧氨氧化颗粒污泥形成耗时过长，颗粒化机制及关键因素尚不明确。群体感应信号分子是由细菌产生的、能够调控生物膜形成等生物学功能的一类化学物质。本申请拟运用薄层层析、生物传感器等方法联合检测好氧-厌氧氨氧化颗粒污泥形成过程中产生的AHLs等信号分子；并采用抑制性消减杂交、高通量测序等技术，考察信号分子对好氧/厌氧氨氧化菌附着生长能力、菌群结构、基因表达等生物特性的影响；阐明好氧-厌氧氨氧化菌利用信号分子强化自养脱氮颗粒污泥形成的机制及关键因素；最终建立通过外加信号分子强化好氧-厌氧氨氧化菌聚集生长并最终实现颗粒化的策略及控制方法；为实现颗粒污泥自养脱氮工艺快速启动提供理论依据和技术指导

半程好氧氨氧化-厌氧氨氧化工艺是一种高效节能的用于处理缺乏有机碳含氮废水的生物脱氮方法。好氧-厌氧氨氧化菌聚集生长形成颗粒污泥后，使单个反应器在较短水力停留时间下也能具备高浓度生物量，实现高效脱氮。但目前好氧-厌氧氨氧化颗粒污泥形成耗时过长，颗粒化机制及关键因素尚不明确。群体感应信号分子是由细菌产生的、能够调控生物膜形成等生物学功能的一类化学物质，它为了解细菌聚集生长最终形成颗粒污泥的生物学本质提供了一个新的视角。.本项目以好氧/厌氧氨氧化颗粒污泥快速形成为目标，基于群体感应的生物学角度，运用生物传感器、LC-MS等方法首次检测到氨氧化颗粒污泥以及活性污泥中N-酰化高丝氨酸内酯类（AHLs）信号分子的存在，并发现颗粒污泥和活性污泥中存在不同类型的AHL信号分子，这很可能与其颗粒污泥的形成和稳定相关。此外，系统考察了不同类型和浓度的AHLs信号分子对好氧/厌氧氨氧化菌附着生长能力、氨氧化能力以及颗粒化的影响，明确了信号分子类型和浓度、好氧/厌氧氨氧化菌聚集生长特性以及氨氧化效果之间的相关性；研究发现多种AHLs信号分子均能促进好氧/厌氧氨氧化菌聚集生长，并有利于提高氨氧化速率，但AHLs对附着、氨氧化、颗粒化的影响与其化学结构均有相关性，当添加的信号分子3-碳位置无取代基（C6-HSL、C8-HSL、C10-HSL）时，N-基侧链长度越长，对生物附着能力的促进效果越好，当添加的信号分子3-碳位置取代基为羰基（3-oxo-C6-HSL、3-oxo-C8-HSL、3-oxo-C10-HSL）时，则是N-基侧链长度越短，促进附着生长的能力越强。AHLs信号分子能通过影响生长速率、生物活性、胞外蛋白比例以及菌群结构来强化颗粒污泥形成。有利于微生物附着生长的信号分子（3-oxo-C6-HSL）更有利于污泥快速聚集生长实现颗粒化，但有利于氨氮快速降解的信号分子（3-oxo-C6-HSL 、C6-HSL）会为颗粒化提供正向的驱动作用，提高聚集体污泥的生长速率，从而加速颗粒污泥形成。在以上研究的基础上，提出了“通过强化AHL群体感应系统来加速好氧/厌氧氨氧化菌聚集生长以及缩短颗粒化启动时间”的策略和方法，最终达到富集生物量、提高脱氮效率的目的。这些研究成果为我们进一步阐明好氧/厌氧氨氧化颗粒污泥的形成机制提供理论依据，为实现颗粒污泥自养脱氮工艺快速启动提供了技术指导。