氨氧化菌对亚硝酸氧化菌和厌氧氨氧化菌代谢和丰度的调节效应研究

Nitrogen pollution is one of the major factors for the eutrophication and urban black odor water in China. Partial-nitritation/anammox (PN/A), is a sustainable and environmentally friendly wastewater treatment technique for nitrogen removal. The community structure and metabolic function of key microorganisms, including ammonium-oxidizing bacteria, nitrite-oxidizing bacteria and anaerobic ammonium oxidizing bacteria (anammox) play the key role in the nitrogen removal performance. Genome-based microbial ecology studies show an enormous biodiversity of species and a complex network for nitrogen transformation in PN/A system. Moreover, the presence of nitrite-oxidizing bacteria in stable PN/A system also suggests its potential positive influence on the metabolic function of the related microorganisms, and further interactions and feedback among key bacteria as a self-regulation are assumed to exist. Based on these findings and hypotheses, this project intends to carry out the research on the interaction mechanisms of key bacteria participating in the nitrogen transformation in PN/A system. Specific interests are focused on exploring the effects of nitrite-oxidizing bacteria on the metabolic activity and pathway of ammonium-oxidizing bacteria, analyzing the function of NO in affecting the metabolisms of key bacteria, uncovering the relationship between the expression of functional genes and the activity and abundance of the key bacteria, and further revealing the mechanism of the regulating effects of ammonium-oxidizing bacteria on the metabolism and abundance of nitrite-oxidizing bacteria and anammox. The results generated from this research will provide guidance and support for controlling the partial-nitritation/anammox process.

氮素污染是造成我国水体富营养化和城市黑臭水体问题的主要原因之一。短程硝化/厌氧氨氧化是一项可持续的环境友好型废水脱氮技术，其中的关键微生物，如氨氧化菌、亚硝酸氧化菌和厌氧氨氧化菌的种群结构和代谢功能决定了该工艺的脱氮性能。组学研究显示该工艺体系内微生物存在丰富的多样性，且氮素的转化涉及复杂的代谢网络。此外，稳定体系内的亚硝酸氧化菌也会占据重要生态位，这意味着其对于相关微生物的功能或有积极作用，关键微生物之间可能具有相互作用与反馈的调节效应。基于此，本项目拟以短程硝化/厌氧氨氧化体系中关键微生物的相互作用为对象，通过探索亚硝酸氧化菌对氨氧化菌代谢作用的影响规律，分析体系内NO影响关键微生物代谢作用的机制，揭示氮转化功能基因的表达和关键微生物活性与丰度的变化规律，进而阐明氨氧化菌对亚硝酸氧化菌和厌氧氨氧化菌代谢功能和种群丰度的调节效应机制，为提升短程硝化/厌氧氨氧化工艺的性能提供科学依据。

铁型自养反硝化技术处理低碳氮比废水具有安全性高、无毒害的优势，针对我国目前的水质情况具有良好的发展和应用前景。但是，目前针对此工艺的研究尚处起步阶段，解析铁氧化反硝化的生物学过程、探索体系同步脱氮除磷机制、探究铁型自养反硝化工艺稳定性等仍是关键问题。本研究针对铁氧化、反硝化的生物学过程，通过反应器长期运行实验，批次验证和动力学模拟实验，以及微生物群落结构分析，揭示了自养型铁氧化反硝化的生物学过程，富集培养得到高效的铁自养反硝化菌群；针对体系的同步脱氮除磷能力和除磷机制进行了解析，证实该工艺能够有效去除水中的硝酸盐和磷污染物，阐述了磷的主要去除途径是由铁氧化微生物所介导的Fe(II)-P氧化途径所完成。针对工艺稳定性问题进行了失稳机制解析并提出应对之方法，证实了铁型自养反硝化运行中微生物细胞与含铁矿物的团聚作用是造成反应器失稳的原因，并开发了基于低强度超声辅助的工艺稳定性方法，使得铁型自养反硝化工艺的脱氮效率和稳定性均较大幅度提升。本研究为铁自养反硝化工艺应用于低碳氮比废水的同步脱氮除磷提供了坚实的理论基础和科学的实践指导，为解决我国水体氮素污染问题提供了新的思路和方法。