氢氧化细菌生产植物促生剂的机制解析和过程调控

Anaerobic fermentation is one of the effective methods to treat high concentration organic wastewater and recover resources. However, there are two problems in the process: 1. Unable to effectively recover all resources (especially for N and P). 2. Products such as hydrogen and methane have low added value. At present, the method of effective recovery of resources (carbon, nitrogen and phosphorus together) is still limited. Hydrogen-oxidizing bacteria (HOB) can use hydrogen, oxygen, and carbon dioxide for the production of plant growth promoter (PGP). It is a novel solution for the above mentioned problems. However, the related research just starts worldwide. In this project, we aim to study the mixed culture for the PGP production by utilizing hydrogen, oxygen, and carbon dioxide. Firstly, to enrich HOB from mixed culture by inhibiting the activities of ammonium-oxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB); then to selectively produce PGP by manipulating environmental factors and process conditions. Thirdly, to evaluate the ability of PGP in plant growth promotion. Fourthly, to combine the analysis of metagenomics, proteomics and transcriptome to uncover the mechanism of selective PGP production. Fifthly, to accelerate the growth and harvest of HOB by utilization of the plate membrane bioreactor, a mathematical model and anti-fouling methods. Finally, to cultivate HOB with the effluent from a full-scale anaerobic fermenter. The research outcomes will expand the practical application of HOB.

厌氧发酵是处理高浓度有机废水同时实现资源回收的有效途径之一，但仍然存在着以下的问题：1.无法实现资源的完全回收（对于氮磷的回收弱）2.产物（如氢气、甲烷）附加值低。目前对于实现资源（碳氮磷）高效回收方法还很欠缺。氢氧化细菌（HOB）利用气体（氢气、氧气和二氧化碳）和氮磷等元素生产植物促生剂，是一种新型的资源完全回收方法，但相关研究刚起步。因此，本项目以混菌利用气体生产植物促生剂为研究对象，首先进行氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的抑制来加快氢氧化细菌群的富集；然后通过环境因子和工艺的调控，探究实现混菌的定向生产植物促生剂的方法；检测富集的氢氧化细菌的植物促生能力，然后结合宏基因组学、蛋白质组学和转录组学等分析，揭示定向生产植物促生剂的机理；构建平板膜反应器实现气体的高效利用，并结合数学模型和膜污染控制手段，实现HOB的快速生长和收集；最后利用实际厌氧发酵出水培养HOB，为HOB实际应用提供基础。

厌氧发酵是处理高浓度有机废水同时实现资源回收的有效途径之一，但仍然存在着以下的问题：1.无法实现资源的完全回收（对于氮磷的回收弱）2.产物（如氢气，甲烷）附加值低。目前对于实现资源（碳氮磷）高效回收方法还很欠缺。氢氧化细菌（HOB）利用气体（氢气，氧气，二氧化碳）和氮磷等元素生产植物促生剂，是一种新型的资源完全回收方法。针对这一现实问题，本项目以混菌利用气体生产植物促生剂为研究对象，确立植物促生型HOB富集的定向选择方法并揭示其定向机理，优化HOB生长条件，验证富集的氢氧化细菌的植物促生能力，构建膜反应器实现气体的高效利用，建立快速回收膜上生物膜的方法，为HOB实际应用提供了基础。经过4年的工作，课题取得了以下成果：.1. 以硝酸盐作为氮源能定向富集植物促生型HOB（Azospirillum占85%），该菌群具有降解植物激素乙烯前提物ACC， 以及溶解磷酸三钙的功能，若再以ACC为氮源富集，HOB能占94%以上；.2. 尿素可以作为氮源富集植物促生型HOB（Hydrogenophaga占54%），而且水力停留时间是抑制硝化反应的最佳因子；.3. 三价铁和零价铁都能促进HOB的生长，硝氮的利用速率提高2.5倍，微生物浓度提高了3.85 倍；.4. 二价铜离子抑制HOB的生长，菌群从Hydrogenophaga (83.92%)转变成Azospirillum（91.33%）；.5. 盐碱条件能培育出氢氧化细菌（Stappia为主）。此菌群都具有ACC降解能力和溶磷能力。盐冲击后的菌群能够使种子发芽率增加了22%；.6. 电解水能培养氢氧化细菌，电流密度具有作为HOB功能调控因子的潜力；.7. 低浓度COD（如厌氧发酵出水）促进HOB混菌菌群的生长，如添加50 mg/L葡萄糖时，微生物浓度升高了1.29 倍；.8. 膜反应器能提高HOB混菌对尿素废水的处理，尿素利用率跟文献相当，而且菌群具有溶磷功能；.9. 内外鼓气能快速收集膜上生物量且避免固液分离。.