环状硝基污染物生物强化电化学降解机制与功能菌群全息解析

It is a self-driven way to degrade cyclic nitro pollutants in bio-cathode bioelectrochemical system by sequential reduction in bio-cathode and oxidation in bio-anode. Firstly, this study tries to construct a bioelectrochemical system where the cyclic nitro pollutants are deeply degraded based on coordination of both the cathodic and anodic bacteria. The operating parameters are optimized with response surface methodology (RSM). Then, the mechanism of degrading reaction in the system are studied, including the whole course tracking of the reactant, efficiency of the degradation process and performance of the whole system. The electrochemical analysis is employed to verify the reaction process, and clarify the degrading mechanism of cyclic nitro pollutants. Finally, the community structure and function gene of bacteria on the electrodes are studied. Molecular biology methods such as clone library, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), fluorescence in situ hybridization (FISH) are used to study the bacteria structure, variations and quantity. Metagenomic and metatranscriptomic approaches based on high-throughput sequencing are utilized to study the function of bacteria in the microbial enhanced system, especially the leading bacteria during the degrading process and their key gene information.The results will reveal the functioning core of the degrading system and provide theory evidence to enhancing the efficiency of the treatment.

采用生物强化电化学系统进行环状硝基污染物的生物阴极还原预处理，及还原产物的后续阳极氧化，是一种系统自驱动的污染物降解方法。本项目旨在阴极、阳极菌群协同调控的生物电化学系统中实现环状硝基污染物的强化降解，采用响应面分析法优化系统参数调控并进行污染物降解反应机制研究，包括反应物转化走向全程追踪、强化降解效率、反应器系统效率等，辅以电化学分析验证反应进程，深入挖掘降解过程的反应机理；进而开展强化降解体系中功能菌群的群落结构及关键功能基因的全息解析：在采用克隆文库、变性梯度凝胶电泳、荧光原位杂交等分子生物学方法对电极菌群的结构组成和时空演化、量化分析的基础之上，借助基于高通量测序技术的宏基因组和宏转录组方法进行电极微生物群落功能活性分析，揭示强化降解过程中实际起到主导作用的功能菌群及其关键功能基因。研究结果将揭示环状硝基污染物生物强化电化学降解系统的功能内核，为进一步提高系统降解效率提供理论依据。

难降解有机污染物的低成本、高效处理，是废水处理领域仍然面临的巨大挑战之一。本项目选取对硝基酚为目标污染物，在阴极、阳极菌群协同调控的生物电化学系统中，将对硝基酚（PNP）在生物催化阴极的还原过程与PNP主要还原产物对氨基酚（PAP）在生物催化阳极的氧化过程耦合，在无需外加电能条件下实现了生物强化电化学系统中环状硝基污染物的自驱动降解过程。在采用农药厂污泥接种的系统中，生物阴极实现了50 mg L-1 PNP在96小时内去除96.2±2.4%，其降解效率相比非生物阴极对照（63.8±2.6%）显著提高；系统阳极实现了20 mg L-1 PAP在30小时内去除94.0±0.6%，其降解效率接近于空气阴极对照。在采用市政污水厂污泥接种的系统中，污染物降解效率均有提升：阴极PNP在72小时内可去除97.9±1.8%，阳极PAP在24小时内可去除95.1±1.6%。系统电化学性能测试中，循环伏安曲线的氧化峰及还原峰可验证阴极、阳极耦合降解过程。基于阴极PNP、阳极PAP降解产物分析，推测了系统阴极、阳极污染物降解的路径。本系统中有机污染物的降解可实现矿化。采用Illumina Mi-seq高通量测序平台对系统阴极、阳极微生物16S rRNA 测序，揭示了阴极、阳极微生物在组成结构方面的差异：阳极微生物群落多样性高于阴极；在门水平，Chlorobi、Bacteroidetes、Thermi 和 Actinobacteria在阴极更占丰度优势；在属水平，Thiobacillus、Methanomethylovorans、Sphingobium 和 Geobacter 在阳极丰度更高。基于Illumina Hi-seq高通量测序的宏基因组分析显示，系统阳极的功能基因丰度均高于阴极。在三大功能注释数据库中对系统阴极、阳极功能基因进行注释，得到丰度最高的功能基因为：KEGG数据库中降解相关的功能基因（30.21%~33.74%），eggNOG数据库中氨基酸转运与降解相关的功能基因（6.08%~6.28%），以及CAZy数据库中糖基转移酶（0.4905%~0.5658%）、糖苷水解酶（0.4957%~0.5594%）等。对耦合降解过程的不同降解阶段中功能基因进行了丰度差异统计分析。在生物强化电化学系统中进行阴极硝基酚和阳极氨基酚的自驱动耦合降解，是一种经济、有效的环状硝基污染物处理方法。