亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化群落演替机理及工艺强化研究

Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation (N-DAMO) is a newly discovered bioprocess, which is catalyzed by M.oxyfera bacteria that anaerobically oxidize methane coupled with nitrite reduction. N-DAMO is a potential process in environmental engineering for simultaneous removal of methane and nitrogenous compounds. However, the previous works show that it's not possible to eliminate denitrifying bacteria from the N-DAMO enrichment in spite of that inorganic medium was used. The survived denitrifying bacteria decrease the abundance of N-DAMO bacteria and impact the performance of process, and succeeded in escaping from the previous researchers' attention. In this work, it will study on the associated relationship between N-DAMO and denitrifying bacteria and the mechanism of community succession in the N-DAMO enrichment. On the basis of the previous results, an N-DAMO mathematical model will be developed to optimize the design and operation of N-DAMO reactor and to establish an evaluation and control system of N-DAMO reactor. This work will provide theoretical foundation for the engineering application of the novel N-DAMO process, and is also useful for reducing the emissions of greenhouse gases, methane and N2O, and expanding the knowledge of microbiology.

以亚硝酸盐为电子受体氧化甲烷的亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化（N-DAMO）是最近环境科学与工程领域的一个重大发现，以此为基础研发的N-DAMO工艺由于可实现对亚硝酸盐和甲烷两种污染物的同步去除而在环境工程领域具有很高的开发应用价值。但在前期的研究中发现，尽管采用无机培养基，获得的N-DAMO富集物中总伴生有反硝化菌，反硝化菌的存在降低了N-DAMO菌的富集度，并影响该工艺的脱氮除碳效果，目前对这类伴生菌没有相关研究。搞清楚反硝化菌和N-DAMO菌的伴生关系，阐明群落演替机理;在此基础上建立N-DAMO数学模型，利用模型优化反应器设计和运行，强化N-DAMO工艺并建立反应器运行评价和控制系统,为该工艺的工程化应用提供理论依据。搞清反硝化菌和N-DAMO菌的伴生关系，不仅可以丰富微生物学内容，也有助于该工艺的开发应用，推动新型低耗的厌氧生物脱氮除碳工艺同时减少温室气体N2O和甲烷的排放。

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化（N-DAMO）过程是近年来微生物生态学领域和环境科学与工程领域的重大发现，以此为基础研发的N-DAMO工艺可实现对亚硝酸盐和甲烷两种污染物的同步去除，具有很高的开发应用价值。探明反硝化菌和N-DAMO菌的伴生关系，阐明群落演替机理，在此基础上建立N-DAMO数学模型，优化反应器设计和运行，强化N-DAMO工艺并建立反应器运行评价和控制系统,不仅可以丰富微生物学内容，也有助于该工艺的开发应用，推动新型低耗的厌氧生物脱氮除碳工艺同时减少温室气体一氧化二氮和甲烷的排放。通过研究本项目已圆满完成了计划任务，取得以下成果：探明了N-DAMO细菌与反硝化菌之间的伴生关系；探明了N-DAMO细菌对金属元素Fe和Cu的需求量；富集了嗜盐N-DAMO细菌并研究了其基本生理特性；优化了N-DAMO菌生长的环境条件；富集获得了N-DAMO菌新种，并且观察到了蜂窝状N-DAMO微菌落；优化了NC10门特异性引物，并提出灵敏度更高的PCR方案；探明了生长因子对N-DAMO过程及其功能微生物的影响，并进一步优化培养基配方；研究了水-第二液相体系对N-DAMO细菌富集培养的影响；探明了DAMO微生物在完成反硝化型厌氧甲烷氧化过程中对于甲烷的竞争机制；探明了不同污泥浓度对甲烷驱动的亚硝酸盐还原反应器内微生物群落结构和功能基因的影响；在机理解析及条件优化的基础上，强化并调控了N-DAMO的工艺运行和富集培养，明显加快了N-DAMO微生物的富集培养速度并明显提升了N-DAMO反应器的运行负荷，为该工艺的工程化应用提供了很好的理论依据。本项目目前共发表学术论文12篇，其中被SCI收录10篇，另有修改和在审论文4篇；授权/申请专利12项，其中发明专利6项；培养博士研究生2名，硕士研究生4名。