群体感应信号分子强化低温城镇污水硝化作用的研究

The high efficiency nitrification of ammonia nitrogen in urban domestic sewage at low temperature is an important step to realize nitrogen removal. How to effectively improve microbial activity and potential of nitrifying bacteria at low temperature is the key problem to be solved. Quorum sensing regulates the physiological functions of bacteria by releasing and sensing signal molecules, which has great potential for improving biological activity and adaptability. Quorum sensing mechanism in the nitrifying bacteria has aroused the attention of the academia, but the research in complex system has not yet made substantial breakthrough, limiting the potential applications of quorum sensing in the nitration process. In the view of above problems, this subject uses signal molecules as the medium for the low temperature intensification on the basis of previous research. We study the role of medium on the regulation efficiency of nitrifying bacteria functional genes, the key enzyme activity and the influence mechanism of the metabolites, as well as the regulation of population succession, to analyze the strengthening mechanism of signal molecules in the process of low temperature nitrification. What’s more, improvement of low temperature biological nitrification efficiency will be realized through optimization of medium action mode. The research might provide theoretical and technical support for the efficient transformation of nitrogen pollutants in low temperature urban sewage.

低温下城镇生活污水中氨氮的高效硝化是实现脱氮的重要环节，如何有效提高低温时微生物活性、发掘硝化细菌脱氮潜能，是需要解决的关键问题。群体感应通过释放和感知信号分子来调控细菌多种生理功能，对提高生物活性和适应能力方面具有重大潜力。目前硝化细菌中群体感应机理研究已引起学术界的重视，然而在复杂体系中的研究还未取得实质性突破，限制了群体感应在硝化过程中的应用。针对上述问题，本课题在前期研究基础上，采用信号分子作为低温强化手段的调控介质，在研究信号分子对硝化细菌功能基因的调控效能、关键酶活性、代谢产物的特性、种群演替规律等影响的基础上，解析信号分子对低温硝化过程的强化机制，并通过对调控介质作用方式的优化，实现低温下生物脱氮效能的提升。研究成果可望对低温城镇污水中氨氮高效转化提供理论与技术支持。

低温下硝化细菌生长缓慢、同化效率低、环境敏感度高，而氨氮的高效硝化是实现脱氮的重要环节，因此提高低温时微生物活性、发掘硝化细菌脱氮潜能是解决问题的关键。群体感应通过释放和感知信号分子来调控硝化细菌多种生理功能，对提高低温硝化细菌活性和适应能力方面具有重大潜力。本研究采用信号分子作为低温强化硝化效果的方式，具体解析信号分子对硝化细菌功能基因、种群结构、代谢产物等的调控机制，发现信号分子可显著促进微生物的生长，有效提高了亚硝酸盐氧化菌的活性，有效缓解了低温对系统的抑制，说明信号分子增强微生物对抗不利的环境条件的能力，实现了低温下生物脱氮效能的提升。同时，在研究关键信号分子（C7-HSL、C8-HSL和3-oxo-C10-HSL）对活性污泥处理高氨氮废水的影响时发现，信号分子可以显著促进微生物的生长，有效提高了亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria，NOB)的活性，同时促进胞外聚合物(extracellular polymeric substance，EPS)的形成，改变EPS的组成，从而有效缓解了高NO2--N对系统的抑制，说明信号分子有利于微生物对抗不利的环境条件，缩短系统达到稳定的时间。其中C7-HSL效果最显著，污泥平均生长速率提升35.20%，降解效率提高17.52%，同时EPS增长了35.45%，蛋白质/多糖显著提升，并促进了色氨酸类氨基酸和腐殖酸的形成，为处理高氨氮废水提供一种新的调控策略。此外，还研究了AI-2类信号分子处理高氨氮废水中的潜能及调控机制，从QS调控的角度分析高浓度AI-2强化了微生物的种间通讯，提出以硼为活化因子的AI-2类信号分子调控高浓度氨氮转化过程中亚硝态氮的有效积累，进一步缩短短程硝化工艺的启动时间。研究成果有望对低温下污水中氨氮的高效转化及短程硝化工艺的快速稳定启动提供理论与技术支持。