低溫城市污水處理的活性污泥特性及其代謝機理研究項目摘要

本項目通過對比考察低溫城市污水處理廠和實驗室模擬試驗的活性污泥特性，研究活性污泥顆粒形態(tài)、粒度、沉降性能、脫水性能和活性污泥OUR、ORP、表面電荷、DHA-TTC、EPS等理化、生化特性及其影響因素。利用定量PCR技術、16SrDNA測序、DGGE和FISH技術等，研究活性污泥菌群的理化、生化特征及變化規(guī)律，功能菌群菌種自身的演化規(guī)律。利用原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等技術，研究活性污泥菌群的形態(tài)、微生物各種功能菌群在活性污泥中分布的變化特征以及生物相轉化特征。利用原子吸收光譜、氣相色譜、液相色譜等檢測儀器，分析檢測活性污泥微生物的有機物代謝產物，探討活性污泥代謝有機物的途徑；分析檢測氮的各種形態(tài)，探討活性污泥代謝氮的途徑；分析檢測磷的各種形態(tài)，探討活性污泥代謝磷的途徑。揭示活性污泥功能菌群代謝機理，同時建立低溫環(huán)境下活性污泥特性綜合模型，為低溫城市污水處理提供理論依據(jù)。

本項目通過對低溫城市污水處理廠曝氣池內混合液檢測分析和實驗室模擬低溫城市污水生物處理活性污泥特性及代謝機理的研究，探明了活性污泥沉降比、污泥指數(shù)等理化特征指標和氧化還原電位（ORP）等生化特征指標均隨溫度的降低而增大，活性污泥的比耗氧速率（SOUR）、脫氫酶活性（TTC）等生化特征指標隨溫度的降低而降低，胞外聚合物（EPS）隨溫度降低而升高；發(fā)現(xiàn)了溫度低時單細胞動物及簡單的原生動物較多，溫度高時纖毛蟲和后生動物較多；揭示了城市污水處理廠生物菌群多樣性隨著溫度的升高變得越豐富，條帶測序結果表明曝氣池中含有酸桿菌屬（Acidobacterium sp）、真桿菌（Eubacterium）、不動桿菌（Acinetobacter）、α-變形菌（Apha proteobacterium）、弓形桿菌（Acinetobacter）、梭狀芽孢桿菌類（Clostridia）等；實驗室模擬研究中，由于活性污泥膨脹而調整運行方式為間歇式后，隨著溫度的繼續(xù)降低，生物菌群多樣性沒有顯著變化，條帶測序結果表明除了有桿菌和球菌等優(yōu)勢細菌外，還有放線菌屬、諾爾氏菌、絲硫細菌屬；通過實驗室模擬研究揭示了完全混合式曝氣反應器在采取間歇運行模式下，盡管當溫度降低到3℃時，系統(tǒng)仍具有較高的有機物去除和脫氮效果，而富磷污泥中磷的含量也可達干重的3%以上。 2100433B

背景：環(huán)境雌激素是一類影響人類健康，破環(huán)生態(tài)平衡的內分泌干擾物。環(huán)境雌激素的去除方法主要是通過微生物的生物降解代謝來完成。高效雌激素降解菌種類和降解能力需要不斷篩選豐富和強化提升，雌激素降解酶與底物的相互作用機制還需要進一步研究，雌激素降解酶編碼基因特性與表達調控還需要進一步探索。因此，我們將篩選雌激素高效降解菌，并從菌株降解、生長特性、菌株基因組特征、降解酶基因表達和調控等方面研究雌激素生物降解代謝機制。 研究內容及重要結果：分別取不同雌激素藥廠土樣、泥樣和污水處理廠泥樣、水樣等樣品70個；篩選出雌激素降解菌30余株，雌激素高效降解菌13株。其中，放線菌門紅球菌屬具有最好的底物適應能力，對大多數(shù)高濃度雌激素污染物在實驗時間內可完全降解。雌激素降解最優(yōu)條件：溫度為27-33℃，pH值為6.8-8，接種量為5-7.5%。通過全基因組測序技術和RT-PCR等分析技術確定了專性降解菌的基因組基本信息和雌激素降解基因的數(shù)量、位置、序列長度和功能作用以及在雌激素降解過程中的作用機制。雌激素高效降解菌生物強化活性污泥，能使原污水處理過程中雌激素降解能力增強25-50%。 意義：通過以上研究，填補了國內雌激素降解菌種不足的空白，明確了雌激素降解酶編碼基因的表達和作用機制，同時在專性降解菌強化活性污泥領域做出了首次嘗試。為基因重組菌株的構建提供了理論基礎，為雌激素生物強化降解菌的制備提供更大的可能。 2100433B

雌激素是一種典型的環(huán)境內分泌干擾物，受多環(huán)雜化形成的空間位阻效應影響,難以被微生物降解，在許多城市污水處理廠的外排水中都能檢測到其存在。當前，針對水中雌激素生物降解的研究，多集中在工藝條件優(yōu)化和專性降解菌特性分析層面，僅有少數(shù)報告涉及基因增強技術應用于去除水中難降解有機物。本項目以典型雌激素--雌二醇、雙酚A和壬基酚為研究對象，開展基因修飾強化生物降解水中雌激素的研究，重點體現(xiàn)在以下三個方面：（1）解析專性降解菌的特異基因片段，闡明菌株對典型雌激素的代謝機制；（2）基因重組拓寬菌株底物利用范圍，提高對雌激素的降解效率；（3）分析重組菌的特異基因表達，獲得重組菌生物強化活性污泥法的調控方法。通過上述研究，可以從基因水平上強化專性菌株的底物利用范圍和降解能力，獲得基因工程菌應用于生物強化活性污泥法的關鍵控制方法，為基因技術應用于污水生物處理系統(tǒng)提供理論指導與技術支持。