基于海洋厌氧氨氧化菌的同步厌氧氨和甲烷氧化体系处理含盐含氮污水的脱氮性能及其种群协作机制

Marine anammox bacteria (MAB) not only play an important role in nitrogen cycle, but also have advantage to treat saline wastewater. Based on MAB, a simultaneous anaerobic ammonium oxidation (SAAMO) system is established to treat nitrogen-rich saline wastewater. MAB utilize NO2- which produced by DAMO archaea while DAMO archaea remove NO3- produced by MAB. Besides, DAMO archaea also provide inorganic carbon for MAB. In this work, nitrogen removal and microbial coordination of MAB and DAMO archaea will be studied through physical, chemical and biological analyses. Besides, nitrogen removal models will be established to optimize system performance. Characteristics and mechanism of microbial response to salt stress will be revealed through multi-omics technologies. Still, optimal operation and regulation strategy will be established through statistics, and efficient nitrogen removal will be achieved.

海洋厌氧氨氧化菌(MAB)不仅在海洋氮循环中发挥重要作用，还在含盐污水的脱氮处理中具有明显优势。本课题基于MAB构建同步厌氧氨和甲烷氧化(SAAMO)体系处理含盐含氮污水，MAB利用DAMO古菌产生的NO2-进行自养脱氮，生成的NO3-进一步被DAMO古菌去除。此外，DAMO古菌还原CH4产生的CO2为MAB补充无机碳源。通过物理化学分析、影像学观测、生物学解析以及动力学表征等对MAB和DAMO古菌的脱氮机制和种群特性进行研究，探寻典型单因子及复合多因子实验条件下微生物间的生态关系以及工艺对其时空分布和动态变化的影响；构建SAAMO体系的脱氮反应动力学模型，为其处理含盐含氮污水的工艺设计和优化运行提供依据；通过多维组学揭示盐胁迫下微生物的响应特性与机制；建立工艺参数和脱氮效率及微生物群落结构之间的关系，提出SAAMO工艺处理含盐含氮污水的调控策略，实现污水的高效脱氮和反应系统的稳定运行。

海洋厌氧氨氧化菌(MAB)不仅在海洋氮循环中发挥重要作用，还在含盐污水的脱氮处理中具有明显优势。本项目基于MAB构建同步厌氧氨和甲烷氧化工艺处理含盐污水，MAB利用DAMO古菌产生的NO2-进行自养脱氮，生成的NO3-进一步被DAMO古菌去除。此外，DAMO古菌还原CH4产生的CO2为MAB补充无机碳源。进水基质比和甲烷供给频次是影响系统脱氮的关键控制因子，当进水基质比为1.06时，工艺具有最佳的脱氮效果，总氮去除率达100%；当进水基质比低于1.06时，NO3-相对浓度较低，反硝化厌氧甲烷氧化过程产生的NO2-无法满足厌氧氨氧化过程的需求，导致NH4+去除率降低，其最高值仅为76.12%；当进水基质比高于1.06时，NO2-出现积累，最高浓度达15.97 mg/L，抑制了微生物的活性。通过不同甲烷供给频次对系统脱氮的影响分析表明，NH4+去除率与甲烷供给频次呈负相关，而NO3-去除率与甲烷供给频次呈正相关。当甲烷供给频次为2次/天时，系统的总氮去除率最高，且∆NO3-/∆NH4+最接近理论值。采用高通量测序分析系统微生物多样性表明，Candidatus Scalindua与Candidatus Methanoperedens的相对丰度随甲烷供给频次的增加而增加，高甲烷供给频次有利于增加微生物种群的丰富度，但会降低群落多样性。通过宏基因组测序技术分析了同步厌氧氨和甲烷氧化工艺处理含盐污水的甲烷和氮素代谢通路，产甲烷代谢模块路径中的关键酶，如甲基-辅酶M还原酶，具有较高的丰度，说明甲烷主要是通过反向产甲烷代谢路径实现厌氧氧化，而反硝化和硝酸盐还原模块中高丰度的硝酸盐还原酶为硝态氮还原为亚硝态氮过程的存在提供了有力证据，此外，亚硝酸盐还原酶、肼合成酶和肼脱氢酶等厌氧氨氧化过程的关键酶均具有较高的丰度值。