苯酚诱导型合成微生物群落的构建及其在焦化废水资源化中的应用

Coking wastewater is a typical kind of refractory industrial wastewater, which contains various organic pollutants, including phenol, N-heterocyclic aromatics, etc. The biotransformation of N-heterocyclic compounds from coking wastewater can produce a variety of high-value products, which may achieve the reutilization of wastewater. Recently, synthetic microbial communities are attracting considerable attentions due to the merits of low complexity and high controllability. Targeting on N-heterocyclic compounds, this project is to construct synthetic microbial communities using phenol-degrading strains for the reutilization of coking wastewater. The main contents include: (1) to isolate various phenol-degrading strains using culture-dependent methods, and investigate the biotransformation characteristics of N-heterocyclic compounds by the phenol-degrading strains; (2) to construct and optimize the phenol-inducing synthetic microbial communities, which will be analyzed and regulated using combined analysis of mathematical modeling, functional gene microarray, etc.; (3) to reutilize the coking wastewater using the synthetic microbial communities, determine the transformation efficiencies of target pollutants, and evaluate the structure, function and stability of synthetic microbial communities. This project introduces synthetic microbial communities into the study of wastewater reutilization, which will provide new insights and technical supports for the treatment of industrial wastewater.

焦化废水富含苯酚、氮杂环芳烃等多种有机污染物，是一类典型的难降解工业废水，对焦化废水中的氮杂环化合物进行生物转化可以合成高附加值产物，实现废水的资源化利用。合成微生物群落因其具有复杂度低、可控性高等优点，近年来日益受到研究者的关注。本项目以氮杂环化合物为研究对象，利用苯酚降解菌构建合成微生物群落，用于焦化废水的资源化研究，主要内容包括：(1)利用纯培养技术筛选苯酚降解菌，考察其转化氮杂环化合物的基本特性；(2)构建并优化苯酚诱导型合成微生物群落，结合数学建模、基因芯片等技术对其进行解析与调控；(3)利用合成微生物群落对焦化废水进行资源化处理，考察目标污染物的转化效率，并评估合成微生物群落结构、功能以及稳定性。本研究将合成微生物群落引入到废水资源化研究中，旨在为我国工业废水处理提供新的研究思路与技术保障。

焦化废水是典型的难处理工业废水，富含苯酚、氮杂环芳烃（如吲哚、喹啉等）等多种污染物。本项目围绕焦化废水的生物处理与资源化，开展了一系列基础研究工作，主要工作包括：（1）利用纯培养技术从活性污泥、土壤等环境样品中筛选得到多种苯酚降解菌，如Comamonas、Acinetobacter、Pseudomonas等，考察了菌株对喹啉、吲哚等不同氮杂环污染物的生物降解与生物转化特性；对Acinetobacter sp. JW进行了全基因组测序，能够为芳烃污染物生物降解研究提供丰富的信息，并阐明Acinetobacter降解吲哚的完整路径；（2）构建苯酚诱导型微生物群落对氮杂环芳烃废水进行处理，实现苯酚与氮杂环污染物 (吲哚、吡啶和喹啉) 的高效去除 (去除率>98%)，结合Illumina高通量测序揭示体系的核心菌属 (Comamonas、Pseudoxanthomonas等) 和关键功能基因 (细胞色素P450酶和萘降解基因等)；利用苯酚降解菌Comamonas和Acinetobacter构建合成微生物群落，能够同步去除氮杂环污染物吲哚和喹啉；（3）针对吲哚废水，分别构建了好氧微生物群落和生物强化体系对其进行生物降解与生物转化研究，并利用Illumina高通测序解析体系中微生物功能菌群，证明强化菌的投加能够促进吲哚生物转化合成靛蓝类色素，达到吲哚废水的资源化处理。此外，对项目研究内容进行了扩展，主要包括：（1）考察单壁碳纳米管（SWCNTs）对苯酚废水处理体系的影响，并利用Illumina高通测序解析微生物菌群的动态变化及核心菌属，证明适宜浓度的SWCNTs对废水处理体系可能具有一定的积极作用；（2）筛选获得多种具有纳米材料合成能力的真菌，合成的生物纳米金能够用于硝基芳烃催化还原及Hg(II)的选择性检测。通过本立项研究，能够为焦化废水中氮杂环芳烃污染物的生物处理与资源化提供理论基础，也能为其他废水的有效处理提供参考信息。