锰自养反硝化电子传递途径及代谢机制研究

Aims at the simultaneous removal ferrous, manganese and nitrate in contaminated groundwater by high efficiency process. Started from the research on electron transport and metabolic mechanism of the autotrophic denitrification. Analysing the electron transport using different composite electron donor.Using gene knockout technology to knock out manganese oxidation and nitrite reductase gene and get recombinant, removing the coupling of manganese oxidation and denitrification in the autotrophic denitrification, investigating recombinant nitrogen metabolism way and the electron transport process, clarifying the gene regulation and the interaction mechanism of manganese and nitratein in the autotrophic denitrification. By dynamically tracking the processes of nitrogen and manganese transformation, the pathway of nitrogen metabolism of autotrophic denitrifiers under the anaerobic conditions will be determined using the RNA-Seq method, the signal transmission mechanism and transcriptional regulation network will be understood.System of autotrophic denitrification can be established using the autotrophic denitrifiers, the kinetic model of simultaneous removal ferrous, manganese and nitrate will be established to improve the performance and stability of the autotrophic treatment system. Using the techniques of molecular biology, the composition of microbial community, the proportion and dynamic change of biological denitrifiers in the total bacteria are systematically investigated in the autotrophic denitrification. The response characteristics of microbial community will be explored based on the analysis of nitrogen and manganese composition, differencial characteristic and coupling relationship in the autotrophic denitrification process. The research outcome will provide new ideas and theoretical guidance to control the contaminated groundwater.

以受污染地下水硝酸盐与铁锰的同步高效去除为目标, 以自养反硝化过程中电子传递及代谢机制为切入点, 明确不同的复合电子供体在自养反硝化过程中的梯级利用规律。构建锰氧化和亚硝酸盐还原酶基因突变体, 解除锰氧化与氮代谢途径的偶联作用, 深入分析锰自养反硝化过程中电子传递链的组成及能量转化模式, 阐明自养反硝化作用中Mn2+和NO3-偶联代谢互作机制。通过动态跟踪N和Mn等元素形态转化及相态间的转移过程, 结合转录组和蛋白组图谱分析, 探讨Mn2+和NO3-偶联代谢系统的信号传递机制、转录调控网络以及作用机理。建立自养反硝化生物处理系统,研究反应过程动力学, 提高系统运行的稳定性和处理效率。解析处理系统微生物群落的构成、生物脱氮菌群在总菌群中所占比例及动态变化, 阐明自养反硝化生物处理系统微生物群落的动态变化与污染物响应特征。为解决我国受污染地下水的硝酸盐去除问题提供新的研究思路和理论指导。

地下水中硝酸盐污染严重威胁人类饮水安全与健康，本研究针对受污染地下水体有机物含量低、自净能力差的特点，开展了铁锰自养反硝化的研究。系统性探讨了三株高效自养反硝化细菌生理特性，电子供体梯度利用规律以及不同环境因素与其脱氮性能的相互关系，发现自养反硝化菌株对电子供体的利用程度为Fe2+优于Mn2+优于S2-，另外，自养反硝化效率受温度，氮源，pH，铁锰比等环境因素的影响较大。通过锰氧化的产物及电子传递抑制实验揭示了锰自养反硝化过程中电子传递机制，即细菌利用Mn(II)作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体，Mn(II)经中间态Mn(III)最终氧化成Mn(IV)，而硝酸盐最终被还原为氮气，Mn(II)氧化对反硝化的过程中的硝酸盐还原步骤起到主要作用。结合全基因组，转录组及代谢组学分析解释了自养反硝化细菌的代谢机制，分析发现菌株HY129具有完整的调控反硝化过程的基因以及典型锰氧化基因，锰自养反硝化过程发生在细胞周质，由多铜氧化酶调控的锰生物氧化和厌氧反硝化途径相偶联。相比自养过程，异养过程中ABC转运蛋白，氨基酸的生物合成，氨酰生物合成，氰基氨基酸代谢等过程显著上调，而自养过程中鞘脂类代谢显著上调。研究了锰自养反硝化细菌对重金属及抗生素类污染物的去除性能及机理，生物锰氧化物被证明是重金属及四环素去除过程中的重要吸附剂，另外，菌株自养反硝化过程中产生的三价锰对四环素类抗生素产生氧化降解的作用。最后，构建了高效自养反硝化生物处理系统，探究了反应器的生物脱氮主要影响因素，运行规律以及微生物种群的多样性，建立了铁锰自养反硝化数学模型，用于预测和调控自养反硝化系统处理效果。该研究将为铁锰自养反硝化在地下水硝酸盐处理中的应用奠定理论基础，对推动地下水处理工艺研究具有积极作用。