多环芳烃影响污泥产氢产甲烷的剂量-效应关系及其机理研究

Anaerobic fermentation of sludge mainly includes acetogenesis, hydrogenesis, methanogenesis. Previous studies found that polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) significantly affected sludge acetogenesis, and under the conditions of moderate and low content the performance of organic acids production from sludge was remarkably enhanced by PAHs. However, till now whether PAHs influence sludge hydrogenesis and methanogenesis is still unknown. Thus, this project focuses on the relations between dosage and effect when PAHs affect sludge hydrogenesis and methanogenesis. Then, the mechanisms are explored from the aspects of PAHs giving impacts on the related processes for hydrogen and methane production, especially on microbial community, activities of key enzymes and levels of gene transcription and protein expression of key microorganisms. On the basis of relation between dosage and effect, the control methods for PAHs pollution level to improve the efficiency of anaerobic production of hydrogen and methane from sludge are achieved. These studies mentioned above will help people deeply understand the law and mechanisms of PAHs affecting hydrogen and methane production from sludge, and expand the new content about anaerobic bioconversion of sludge and PAHs pollution control, showing the important value and meaning for further realizing the efficient recovery of energy resource in sludge and prevention and control of PAHs pollution.

污泥厌氧发酵主要包括产酸、产氢和产甲烷过程。课题组前期研究发现，污泥中的多环芳烃（PAHs）显著影响厌氧发酵产酸过程，中低剂量的PAHs均能够较大幅度提高污泥产酸效果。然而，PAHs是否影响污泥产氢产甲烷过程仍属未知。因此，本课题拟研究PAHs影响污泥产氢产甲烷的剂量-效应关系及其机理。首先，研究获得PAHs影响污泥产氢产甲烷的剂量-效应关系；然后从PAHs对产氢产甲烷相关过程，特别是对微生物种群、关键微生物酶活性、关键微生物基因转录和蛋白表达水平等影响的角度阐述其作用于污泥厌氧产氢产甲烷过程的机理；基于剂量-效应关系，进而研究获得调控PAHs污染水平以改善污泥厌氧产氢产甲烷效率的方法。这些研究将有助于人们深入认识PAHs影响污泥产氢产甲烷的规律及机理，开拓污泥厌氧生物转化和PAHs污染控制新的研究内容，对于实现污泥中能源物质的高效回收和PAHs污染防控具有重要的价值和意义。

在能源短缺的形势下，厌氧发酵已经成为污泥处理优先选择的技术。污泥厌氧发酵主要包括产酸、产氢以及产甲烷过程，能够回收短链脂肪酸（SCFAs）、氢气、甲烷等能源物质。然而，污泥中也含有多环芳烃（PAHs）等持久性有机污染物，其对污泥厌氧发酵过程的影响及调控一直是国际研究的热点。课题组基于污水处理厂污泥中PAHs不但普遍存在，而且污染严重的事实，提出了研究污泥中PAHs影响产氢产甲烷的剂量-效应关系，并通过控制PAHs污染水平改善污泥厌氧发酵效率的学术思路。本项目重点开展了PAHs影响污泥厌氧发酵产氢和产甲烷过程及微生物学机理、调控PAHs污染改善污泥厌氧发酵效率、PAHs对巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）的影响及机理等方面的研究。通过项目研究：得到了污泥厌氧发酵系统中菲、荧蒽等典型PAHs对污泥厌氧产氢和产甲烷的影响与机理；开发了控制有机污染物污染水平以显著改善污泥厌氧发酵效率的新方法；明晰了PAHs对厌氧发酵功能菌生理生态的影响及机制。项目在研周期内发表学术论文16篇，申请国家发明专利3项，其中授权发明专利2项；获得科技进步/技术发明奖3项；参加国际学术会议5次；培养研究生5人。项目提出的研究思路与方法具有一定的创新性，有助于人们深入认识污泥中PAHs对厌氧生物转化过程的影响及机理，开拓了PAHs污染环境效应和污泥厌氧生物转化新的研究内容，对实现污泥中能源物质的高效回收和有机物污染物的高效控制具有重要的价值和现实意义。本项目提出的调控有机污染物水平同步实现能源物质高效回收的策略，可为污泥高效资源化处理处置提供了技术支撑，具有良好的应用前景。