厌氧消化对城市污泥中典型多环芳烃（PAHs）的降解效果及机制研究

Measures should be taken to deal with the huge amount of municipal sewage sludge with serious polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) pullution in China. Anaerobic digestion, which is widely used currently, is an efficient method for the reduction, stabilization and harmless of sewage sludge. However,limited information was availble on the PAHs degradation during the sewage sludge anaerobic digestion until now due to its extremely complex environment. In addition, previous study indicated that PAHs in the anaerobic digested sludge was obviously less than the undigested sludge. Therefore, the role of the electron acceptor, heavy metals, co-metabolism materials, and surfactant materials on the biodegradation characteristic of PAHs in the sludge anaerobic digestion system will be investigated to demonstrate the impact factors and impact mechanisms of the PAHs biodegration.Then the control measures of the biodegradation of PAHs during the sludge anaerobic digestion will also be acqurired. After that, stable isotope and high-throughput metagenome sequencing technique will be employed to investigate the biodegradation pathway of the typical PAHs, and reveal the driving mechanism by the microorganism in situ. This study will provide a scientific basis for the sludge anaerobic digestion treatment.

城市污泥的产生量大且其中多环芳烃（PAHs）污染严重，迫切需要科学、妥善的处理方式，厌氧消化是污泥减量化、稳定化及无害化的常用手段之一，在我国发展潜力巨大，然而污泥厌氧消化体系极为复杂，至今对污泥厌氧消化过程中PAHs的降解缺乏深入的研究。本项目以城市污泥为研究对象，从前期城市污泥泥质调查中发现厌氧消化污泥中PAHs含量明显低于未消化污泥这一现象入手，通过系统深入的研究污泥厌氧消化过程中电子受体、重金属、共代谢底物及生物表面活性物质等因素对PAHs降解的作用，积极阐明厌氧消化过程中PAHs降解的影响因素、影响机制；并在此基础上获得厌氧消化对污泥中PAHs降解的调控措施；最后利用稳定性同位素及高通量测序手段，揭示污泥厌氧消化过程中参与降解典型PAHs的微生物群落特征及其代谢途径，为污泥的厌氧消化处理提供科学依据。

本项目通过研究污泥厌氧消化过程中电子受体、共代谢底物等因素对PAHs降解的作用，阐明厌氧消化过程中PAHs降解的影响因素、影响机制，并获得厌氧消化对污泥中PAHs降解的调控措施。取得的主要成果如下：（1）获得了城市污泥中PAHs含量种类及分布特征，污泥中多环芳烃多以2-3环为主，70%以上存在于污泥的生物絮体中，且PAHs的含量及组成主要与污水的来源有关。（2）研究了不同预处理方式对污泥厌氧消化多环芳烃的降解效果，超声和热处理均能促进污泥产气效率；厌氧消化对多环芳烃（PAHs）中的菲、蒽、荧蒽、苯并荧蒽及苯并芘均有降解作用，降解效果：热处理>超声处理>空白组。（3）研究了不同pH值对养殖污泥厌氧消化的影响，发现当厌氧消化体系pH=7.0时，养殖污泥厌氧消化产气速率最高，中性处理条件下，细菌主要以螺旋体属、Ruminofilibacter xylanolyticum和拟杆菌属为主，产甲烷古菌以甲烷粒菌属为主。（4）阐明了厌氧消化过程中电子受体、共代谢底物的含量和组成对多环芳烃的降解效果，电子受体的添加能够显著提高污泥厌氧发酵产气量及产气速率，对不同的电子受体添加量下的污泥中的多环芳烃的量的研究发现，多环芳烃的降解效果与产气量具有相似的特征，共代谢底物葡萄糖及乙醇类碳源添加后厌氧消化对菲和苯并[a]芘的降解有促进作用。（5）获得了污泥中典型PAHs厌氧消化过程中降解的微生物驱动机制，采用GC-MS 测定菲的降解中间产物，研究发现在污泥厌氧消化样品中分离检测到菲的降解中间产物对甲酚和酚，并结合文献推断对甲酚的甲基组分是发生羟基化后再生成酚，随后对甲酚的甲基组分再发生羟基化作用，生成对羟基苯甲醇或对羟基苯甲醛，对羟基苯甲醛接着再进一步转化为对羟基苯甲酸和酚，最后经由一系列的水合作用和水解作用发生脱羧反应，将菲彻底厌氧降解；并通过PCR-DGGE技术研究了该体系中的可能对菲进行降解的功能性微生物，研究发现该污泥混合体系中硫酸盐还原菌、反硝化菌及产甲烷菌共存。（6）集成上述研究成果建立了污泥厌氧消化中试示范工程。