胁迫环境下厌氧氨氧化的脱氮功效及关键酶功能基因的表达与调控机制研究

Anaerobic ammonia oxidation (Anammox) technology that possesses low carbon characteristics has the great potential in nitrogen removal from wastewater. The bottleneck for its practical application is that how to maintain the anammox reactors to operate efficiently and stablely. In this proposal, the anammox sludge acclimated in a sequencing batch reactor (SBR) will be used. The effect of typical pollutant compositions including high nitrite or high free nitrite acids (FNA), high salinity and salinity dynamics, hydrazine accumulation and nano-sized metal compounds (new wastewater polluted compositions) on the anammox reaction will be studied. In particular, the mRNA concentrations of functional gene of key enzymes (nitrite oxidoreductase (NIR), hydrazine synthase (HZS) and hydrazine dehydrogenase(HDH))for anammox reaction will be evaluated before and after the influent inhibitory shock,aiming to establish the relationship between the functional gene expression with the different stress environments and degrees. Simultaneously, the in situ activities of anammox bacteria by intergenic spacer region(ISR)-fluorescent in situ hybridization(FISH), and the cell structure as well as the physical and chemical characteristics of anammox sludge will be monitored, to finally reveal the micro-mechanism of the corresponding inhibitory effects. The research results of this project will favor to broaden our knowledge of in situ physiological characteristics of anammox bacteria, accomplish the theoretical system of anammox technology, and improve the stability of the anammox process.

厌氧氨氧化是最具潜力的低碳型脱氮技术之一，如何维持其高效、稳态运行是推进该技术规模化应用的首要问题。本项目以SBR富集的厌氧氨氧化污泥为研究对象，通过考察高亚硝酸盐（游离亚硝酸）、高盐/盐度变化、联氨积累以及新型污染物-纳米金属化合物等胁迫性污水成分对厌氧氨氧化的短期冲击和长期影响，重点探究3种关键酶（亚硝酸氧化还原酶、联氨合成酶和联氨脱氢酶）在冲击前后其功能基因表达差异及长期恢复过程的调控规律，阐释不同胁迫环境和水平下厌氧氨氧化菌的原位抑制特性，探明mRNA水平上基因表达与厌氧氨氧化脱氮功效及细菌致抑制的关系；同时辅以ISR-FISH技术检测厌氧氨氧化菌原位活性、观测细胞生理结构和污泥物化性质，最终阐明厌氧氨氧化受不同抑制胁迫影响的分子生物学机制。研究成果对于全面认识厌氧氨氧化菌的原位生理学特性、完善厌氧氨氧化技术理论体系，提高厌氧氨氧化脱氮效能的稳定性具有重要的科学意义和工程实践价值。

厌氧氨氧化是最具潜力的低碳型脱氮技术之一，如何维持其高效、稳态运行是推进该技术规模化应用的首要问题。本项目以SBR中富集的厌氧氨氧化污泥为研究对象，通过考察高NO2--N/游离亚硝酸FNA、饥饿以及重金属等污水胁迫成分对厌氧氨氧化效能的短期冲击和长期影响，重点探究亚硝酸氧化还原酶、联氨合成酶及联氨脱氢酶在冲击前后功能基因表达差异及长期恢复过程的调控规律，阐释不同胁迫环境和水平下厌氧氨氧化菌的原位抑制特性，以及mRNA水平上基因表达与厌氧氨氧化脱氮功效和细菌致抑制的关系，最终阐明厌氧氨氧化受不同抑制影响的分子生物学机制。.研究结果结果表明，当厌氧氨氧化菌在遭受高浓度亚硝酸盐胁迫时将启动应激防御机制，通过提高功能基因的转录水平，翻译获得更多功能蛋白来抵抗亚硝酸盐的活性抑制作用。而当厌氧氨氧化污泥污泥遭受短期厌氧和缺氧饥饿时，发生活性衰减，且缺氧饥饿显著高于厌氧饥饿；在缺氧饥饿条件下胞外多聚物和胞内蛋白可作为电子供体，通过内源反硝化过程为厌氧氨氧化菌提供维持能量；宏蛋白质组学结果进一步表明，厌氧氨氧化菌具备较强应对长期饥饿胁迫的能力，主要依赖两个方面的分子调控机制：i）维持胞内多数功能蛋白稳定，利于其在重获基质时快速恢复代谢活性；ii）诱导产生饥饿蛋白，使得厌氧氨氧化菌在饥饿环境下利用内碳源获取维持能量。宏转录组学分析结果说明，厌氧氨氧化菌在遭受锌离子胁迫时诱导表达锌离子抗性基因，翻译生成转运蛋白将胞内多余锌离子排至胞外，促进微生物活性快速恢复；因此，锌离子抗性基因可作为“预警基因”，有助于及时发现锌离子胁迫影响，强化厌氧氨氧化工艺稳定调控。.研究成果对全面认识厌氧氨氧化菌胁迫响应机制、解析厌氧氨氧化工艺胁迫生境的微生物学机理、建立基于环境胁迫的厌氧氨氧化菌分子诊断调控技术，确保工艺的长期高效稳定运行具有重要意义。