腐殖酸还原菌群介导底泥中碳/氮的代谢循环及原位修复机制

The results and thoughts of humic reduction studies in fields of cell metabolism, wastewater treatment and soil remediation will be applied to in-situ sediment remediation in this project. Abundance of humic and inorganic redox substances in river/lake sediments will be made the most use to join humic-reducing metabolism, mediate carbon/nitrogen metabolic cycle and improve in-situ remediation effects of pollutants. The researches will mainly focus on: 1) the interaction and adjustment among functional microorganism groups in process of AQDS-induced activated sludge acclimation, and optimization of activated sludge acclimation process. 2) efficiency of typical pollutant reduction, its transforming processes and mechanisms of carbon/nitrogen metabolism mediated by humic-reducing consortia. 3) effects of strengthening measures (e.g. disturbance, aeration or biostimulants, chemicals, etc.) on transformation and metabolic mechanisms of different forms of carbon and nitrogen, and micro-ecological environment in the process of humic-reducing consortia mediating in-situ remediation. Mechanisms of sediment remediation and strengthened synergy by humic-reducing bacteria are elucidated. The project aims to develop a new sediment in-situ bioremediation technique that is technically and economically feasible and convenient in hypoxia environment, and to provide technical guidance for long-term control of river/lake sediment pollution.

本项目借鉴腐殖酸还原作用在细菌代谢、废水处理及土壤修复等领域的研究成果和思路，用于底泥的原位生物修复。充分利用河湖底泥中丰富的腐殖酸类物质、氧化还原性无机物等参与腐殖酸还原代谢，介导底泥中碳/氮的代谢循环，强化底泥污染物的原位修复。重点研究1）腐殖酸模型物（AQDS）诱导活性污泥驯化过程中，功能性菌群间的相互作用过程和调节机制，优化腐殖酸还原菌群的驯化效能；2）腐殖酸还原菌群对底泥中典型污染物的削减效能、转化过程及对底泥中碳、氮代谢循环的影响机制；3）扰动/曝气、促生剂/化学药剂等强化措施在腐殖酸还原菌群原位修复过程中，对底泥中不同形态碳、氮的转化过程和代谢循环机制的影响，对底泥微生态环境的影响；阐释具有腐殖酸还原能力的菌群对受污染底泥的修复机理及强化协同修复机制。开发在低氧环境下，技术、经济、管理简单可行的底泥原位生物修复新技术，为河湖底泥的长效治理提供技术指导。

针对低氧环境下河道底泥TOM/TN降解难、去除速率慢的问题，充分利用天然河湖水体中丰富的腐殖酸介导底泥中有机碳、氮的转化/降解，研发了腐殖酸还原菌剂（HRBs）及其与NO3-协同的生物-化学修复新技术，并阐释了NO3-强化HRBs介导底泥TOM/TN原位修复机理及协同强化修复机制。.利用醌类物驯化活性污泥得到具有腐殖酸还原能力的HRBs，基于有效菌浓度和醌还原效能优化了HRBs的培养条件（Fe(II) 0.17 g/L，SO42- 0.17 g/L和NaAC浓度11.62 g/L），并解析了NaAC及SO42-分别为控制微生物量及醌还原效能的关键因素。经醌驯化后的HRBs群落组成中，具有强化有机质降解及具有胞外电子传递能力的菌群相对丰度明显增加，而易造成水体黑臭的硫循环菌的丰度明显降低；醌驯化后的HRBs细菌群落组成与河道底泥土著菌群具有较好的相似性，对底泥微生态环境冲击风险小。.对比HRBs对不同有机质污染底泥的修复发现，HRBs对具有较高腐殖化程度、较强还原性的底泥表现出较强的TOM降解效能；在HRBs作用下，底泥中易降解轻组有机质（LFOM）的去除率随底泥TOM含量增高而增高，较难降解的重组有机质（HFOM）的去除率随底泥TOM含量降低而增高。研究发现，HFOM中富含醌基是HRBs强化HFOM削减的物质基础，HRBs中具有较高丰度胞外电子传递功能的微生物，易于渗入到底泥的固相表面、建立电子传递链并加速物质的转化。.通过不同修复组合下对不同TOM梯度的底泥修复效果，发现控制HRBs与NO3-协同的关键因素是底泥中AVS及NO3-含量，当硫驱动的反硝化作用达到饱和状态，才会发生腐殖酸还原与NO3-耦合的作用，强化底泥中HFOM的削减，改善底泥微生物多样性，提高水体的长效保持及抗冲击负荷能力。多元相关性分析、微生物互作关系分析等结果表明HRBs与NO3-协同修复过程通过提高异养反硝化细菌丰度，强化了底泥有机质的削减。.本项目研发了一种NO3-协同HRBs强化底泥有机碳、氮等物质转化/降解的新方法，为河湖底泥原位修复及长效保持提供新的思路和指导。