活性污泥的好氧呼吸应激响应机制研究

The tuning of activated sludge system is a time-lagged response process, which not only indicates the stability of the system but also causes the difficulty of the timely optimization of operations, thus it is important for the analysis of the stringent response of activated sludge under disturbed conditions to understand the time-lag characteristic of activated sludge. Based on the several-year preliminary study of respirogram, the scientific targets of this project include the mechanism for elucidating the phenomenon of non-synchronization changes between respiration and water quality, and the interaction mechanism between endogenous and exogenous respiration during stringent response. Thus, this project will elucidate the stringent response mechanism of aerobic respiration from these aspects: microbial physiological state transformation, energy metabolic process and microbial sociality behavior under stringent conditions. The following achievements will be obtained: (i) the effect of microbial physiological status (such as entering or awakening of dormant state) on system functional redundancy, (ii) the energetic metabolic characteristics in terms of AEC (adenylate energy charge) and AMPK (adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase), and (iii) the effects of bacteria sociality including typical signal substance (AHLs, c-di-GMP) on the endogenous and exogenous respiration under stringent conditions. Findings of this project will extend the application of respirogram and will provide a theoretical basis for solving the time-lag response problems during tuning operations as well as new theories and techniques for the operation of activated sludge systems.

活性污泥的调控具有很强的时滞性，这既是稳定的表现，也是难以及时动态调优的根本原因，而认识时滞性的关键在于解析扰动条件下微生物的应激响应机制。因此，本项目拟在课题组长期研究呼吸图谱基础上，围绕呼吸速率与水质变化不同步现象的内在机理和扰动条件下应激响应过程中内源与外源呼吸的相互作用规律等科学问题，从微生物生理状态转化、能量代谢特征、微生物群体行为调控等方面阐明活性污泥的在扰动条件下的好氧呼吸应激响应机制。项目将在微生物生理状态(如休眠状态的进入与唤醒)对系统功能冗余度的影响、基于AEC(腺苷酸能荷)和AMPK(能量状态激活酶)的能量代谢特征、应激过程中典型信号物质(AHLs,c-di-GMP)等群体行为对内源和外源呼吸过程的影响机制等方面获得突破。项目研究成果将拓展呼吸图谱的应用范围，并为解决长期困扰实时优化运行的时滞性难题提供理论基础，可为活性污泥运行管理提供新理论和技术方法。

活性污泥具有很强的适应能力和很强的时滞性，这是系统稳定的表现，但也为污水处理精细化调控带来监测上的困难。为此，本研究围绕扰动条件下好氧呼吸的应激响应机制这一核心问题，从絮体结构、生理特征、能量代谢、群体行为等方面开展了系统研究，主要获得了以下成果：(1)系统研究了活性污泥在反硝化、生物除磷、化学除磷、重金属冲击、机械搅拌、温度变化等典型扰动条件下的好氧呼吸特征变化规律，揭示了多维呼吸图谱空间中准内源与内源变化与絮体结构之间的内在联系，提出了一种可同步调控污泥活性与沉淀性能的工艺调控策略，为课题组开发的多维呼吸图谱的应用提供了理论基础。(2)分析了絮体空间结构的应激变化特性，发现了絮体外层的功能性活性（生长代谢占优）和内层的能量散溢（非生长代谢）的差异性，基于此开发了一种剥离粘液胞外聚合物的资源能源回收与效能提升的工艺方法；揭示了低核酸细菌LNA的在微小扰动条件下频繁迁移和高核酸细菌HNA作为絮体骨架在絮体解体的迁移机制，进而解明了呼吸图谱中外源、准内源、内源等变量的驱动因子。 (3)开展了不同应激强度下的絮体结构、典型信号物质、能量代谢及生理状态的变化规律，提出了群体感应、结构破坏、内源受损等三个由外到内的分层应激响应机理。(4)围绕上述理论成果，开展了现场实验工作，验证了理论的有效性和可行性。以上成果从絮体污泥结构、微生物空间分布与迁移、分级响应等不同维度解释了活性污泥系统的时滞性特性，并在工程中得到了拓展和验证。项目研究发表论文20篇，其中Water Research期刊发表论文2篇，SCI论文10篇，发明专利22项，其中授权专利14项，获国家科技进步二等奖、陕西省专利二等奖、中国供排水协会一等奖各1项，培养研究生16名，参与项目博士生2人，博士后1人。在理论研究基础上，本核心技术在西安、庆阳、上海、深圳等地应用。