厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的微生物学机制研究

Sewage sludge contains polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), which distribute widely and possess carcinogenicity. Recently, such sludge without treatment is provided to agricultural application, which threatened human health. Consider to the low removal efficiency of PAHs during sludge anaerobic digestion, especially for that PAHs with high-molecule cannot be used as carbon source for anaerobe. In this study, the removal efficiency of PAHs with high-molecule is to be improved via anaerobic co-metabolism pathway by adding glucose and cellulose in sludge. To investigate the microbiological mechanism of anaerobic co-metabolism of PAHs in sludge, the effect of three concentrations of glucose and cellulose on the removal efficiency of PAHs as well as the methanogenic activity is to be studied. The microbial structure and diversity related to the anaerobic co-metabolism of PAHs is to be established using molecular biology technique. Moreover, the combined relationship of “PAH removal efficiency - methanogenic activity - dominant bacteria” is investigated .This study supports the technology and theory for PAHs biodegradation from sludge.

城市污泥中多环芳烃分布广且具有致癌性，目前，大多未经无害处理的污泥直接农用加大了其中的多环芳烃进入环境威胁人类健康的风险。针对污泥厌氧消化过程中多环芳烃降解效率不高，尤其是高分子的多环芳烃不能被厌氧微生物作为碳源或能源加以利用的缺陷，本项目选用葡萄糖和纤维素作为污泥中多环芳烃厌氧共代谢的生长基质，旨在提高厌氧共代谢对多环芳烃的降解效率。为探明厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的微生物学机制，研究了葡萄糖和纤维素在3种浓度梯度条件下对厌氧共代谢降解多环芳烃的影响，考察了厌氧共代谢对微生物产甲烷活性的影响，采用分子生物学技术研究了厌氧共代谢降解多环芳烃过程中微生物种群多样性分布，并鉴定降解多环芳烃的相关功能菌，结合葡萄糖、纤维素对厌氧共代谢降解多环芳烃的影响研究，分析“污泥中多环芳烃去除率-产甲烷活性-功能降解菌”的耦合关系。研究结果为污泥中多环芳烃的生物降解提供技术支撑和理论支持。

研究背景：针对污泥厌氧消化过程中多环芳烃降解效率不高，选用葡萄糖、纤维素和秸秆作为污泥中多环芳烃厌氧共代谢的生长基质，旨在提高厌氧共代谢对多环芳烃的降解效率并探究共代谢体系中微生物种群多样性的变化，为污泥中难降解有机污染物的高效生物去除提供参考。主要研究内容包括生长基质（葡萄糖、纤维素和秸秆）对厌氧共代谢降解多环芳烃的影响研究、厌氧共代谢对微生物产甲烷活性的影响研究和厌氧共代谢降解多环芳烃过程中微生物种群多样性研究。.重要结果及关键数据：.（1）当纤维素按VS污泥：VS纤维素=1:0.2、1:0.5、1:1的比例添加时，污泥中C/N比值由5.9增加至7.4、9.8和13.0；当葡萄糖按VS污泥：VS葡萄糖=1:0.1、1:0.3、1:0.5进行添加时，污泥中C/N比值由6.4增加至6.8、7.5和8.1；当秸秆按照 VS污泥：VS秸秆=1:0.5，1:1，1:1.5的比例添加时，污泥中C/N比值由6.5增加至8.0-9.2（玉米秸秆）、8.0-9.1（小麦秸秆）和7.9-8.9（水稻秸秆）。（2）与对照组相比，纤维素、葡萄糖和秸秆的添加对∑PAHs的降解率分别为14.82%-20.75%、51.34%-60.56%、27.05%-38.97%（玉米秸秆）、37.18%-39.51%（小麦秸秆）、31.02%-46.61%（水稻秸秆），其中对4环多环芳烃的降解效率都较突出。另外，随着纤维素添加量的增加，微生物产甲烷活性逐渐增大，而∑PAHs的降解并未出现逐渐增长的趋势。（3）随着纤维素、葡萄糖和秸秆添加量的增加，对多环芳烃可能有降解作用的细菌Chloroflexi, Bacteroidetes, Aminicenantes和Planctomycetes丰度逐渐增加，古菌中Methanosaeta 、Methanobacterium 和 Methanolinea 丰度都有增加。.科学意义：研究发现与污泥单一厌氧消化相比，纤维素、葡萄糖和秸秆的添加能显著提高污泥中多环芳烃（PAHs）的降解，同时发现了对多环芳烃可能有降解作用的细菌和古菌，研究为污泥中多环芳烃共代谢降解的基质筛选提供了理论基础，也为研究污泥中多环芳烃的厌氧共代谢降解机制提供了重要的研究基础。