聚糖菌反硝化功能解析及应用基础研究

本项目利用现代生命科学技术研究聚糖菌的反硝化功能，通过全面解析反硝化聚糖菌（DGAOs）基于胞内储存物质的脱氮代谢机制和种群特征，阐明聚糖菌反硝化的作用机理。本项目以聚糖菌/反硝化聚糖菌为研究对象，利用元素标记技术确证反硝化聚糖菌碳循环和氮循环的代谢偶联，并确定DGAOs的反硝化代谢产物，评价DGAOs的脱氮效率；利用蛋白质组技术研究反硝化聚糖菌新的特异性酶，并进行分离、纯化和鉴定；利用基因组和相关技术，研究反硝化聚糖菌基因组表达差异，建立反硝化聚糖菌基因文库；并对聚糖菌颗粒污泥同步硝化反硝化进行应用基础研究；最终建立以聚糖菌为核心和优势菌群的污水生物处理新技术，为拓展生物脱氮领域新的研究方向奠定理论和技术基础，同时，对于合理评价聚糖菌在污水生物处理过程（包括生物除磷/反硝化除磷系统）中的作用和地位具有重要的科学意义。

在现代污水生物处理过程中，胞内储存是微生物对碳源和能源合理而有效的利用方式，利用微生物胞内储存的代谢机制（无论是以聚磷还是以糖原为能量来源）本身具有高效、节能的可持续发展特征。与胞内储存为代谢特征的生物除磷一直是水污染控制领域的研究热点，尤其是近年来生物除磷领域中反硝化聚磷菌（DPAOs）的发现引起了研究者们极大关注，它将生物除磷和脱氮两个原本认为彼此独立的过程合而为一，以“一碳两用”的方式同步吸收磷及还原硝酸盐/亚硝酸盐。这推动了生物除磷脱氮研究的一次飞跃式发展。然而，关于聚糖菌生物代谢途径中碳、氮循环偶联的研究往往被研究者忽视。因此，本课题通过全面解析反硝化聚糖菌（DGAOs）基于胞内储存物质的脱氮代谢机制和种群特征，为建立以聚糖菌为核心和优势菌群的污水生物处理新技术奠定理论和技术基础。课题主要进行了以下研究：建立特殊厌氧/好氧运行方式的聚糖反应器系统；以聚糖菌/反硝化聚糖菌为研究对象，利用15N稳定元素标记技术确证反硝化聚糖菌碳循环和氮循环的代谢偶联，并确定DGAOs的反硝化代谢产物，评价DGAOs的脱氮效率，并对聚糖菌颗粒污泥同步硝化反硝化进行应用基础研究；利用基因组和相关技术，研究反硝化聚糖菌基因组表达差异，并通过对反应器运行过程中，絮状污泥颗粒化以及反应器的聚糖菌特点，对微生物菌群变化特征进行微生物多样性分析，并进一步分析比对了聚糖菌与聚磷菌的微生物种群特点；利用FISH技术对颗粒污泥内氨氧化菌的分布进行了研究；根据反应器中污泥的变化特性研究了反应器絮状污泥颗粒化进程，并对聚糖菌颗粒污泥在膜生物反应器中的污泥胞外聚合物变化特征进行研究；课题通过上述研究不仅对于进一步揭示聚糖菌在污水生物处理中的生理生化特征具有重要的研究意义，同时对于与之密切相关的生物除磷系统的深化研究，乃至拓展生物脱氮领域的研究方向均具有重要的科学意义和价值。