基于分子水平技术对蚯蚓生物滤池系统有机物迁移转化规律研究

通过延长系统食物链实现生态调控作用而具有简单实用、节能降耗和污泥资源化等特点的蚯蚓生物滤池技术，成为农村分散式污水治理的新型生态技术。从经济与技术层面，同时实现高水力负荷与污染物高效去除，是该技术工艺改进的关键因素，成为推广应用的难点。阐明系统内优势种生物间物质能量流动和转换及其协同共生或抑制的关系是提高该技术效能的关键科学问题。本项目针对这一问题，拟采用脂肪酸和稳定同位素联合技术，探讨其食物网的营养结构关系，并运用稳定同位素标记物（13C-葡萄糖），探讨有机物在食物链的降解转化规律；结合蚯蚓解剖技术，通过探讨蚯蚓消化道和生活史中单分子脂肪酸稳定同位素（13C）丰度的变化规律，以及食物来源对两者的影响，阐明蚯蚓在系统中的生态调控作用，为通过蚯蚓调控微生物群体和群落提供理论依据，实现该技术的高效运行。本项目的研究将为该技术在我国农村污水治理中的推广和应用提供关键技术支持，具有重要的实用价值。

利用蚯蚓与微生物的协同作用实现剩余污泥的减量稳定化处理，为我国村镇污水厂产生的剩余污泥处理提供了一种环境友好型生态处理方法。本课题以不投加蚯蚓的普通生物滤池（BF）为参照，采用磷脂脂肪酸（PLFA）考察VF生物膜的微生物群落结构与代谢特征，揭示蚯蚓与微生物在剩余污泥减量稳定化过程中的协同作用机制；通过脂肪酸单分子碳稳定性同位素技术，研究VF生物膜对碳源的利用规律与更新周期等代谢特征；基于脂肪酸标记物及其单分子碳稳定性同位素技术，考察了VF中大型捕食者（蚯蚓、螺、水蛭以及蛞蝓）的选择性摄食规律与营养级关系，揭示有机物转化的规律。主要成果有：（1）在有机负荷为1.20±0.04 kg-VSS/(m3∙d)条件下，VF中VSS减量率为57.5±1.72%，比BF高20.9%，蚯蚓的引入促进了有机物从颗粒态向溶解态转化，显著提升了蛋白质与粗脂肪类有机物的降解。在静态试验基础上，基于PLFA的微生物特征表明，VF生物膜活性增强与微生物群落结构多样性增加，沿高度方向上微生物分布呈现较好的均一性，强化了工艺的处理能力。（2）初始蚯蚓体内鉴定出23种脂肪酸，VF内蚯蚓体内多出17:1ω9c与22:1ω9两种脂肪酸，分析为摄食食料的改变所致。聚类分析发现，蚯蚓更多的摄食VF内的生物膜；根据真菌和微型动物（原生动物和后生动物）的特征脂肪酸标记物的单分子δ13C值的差异性，得出对真菌和微型动物的摄食能力分别为：蛞蝓>蚯蚓>螺>水蛭和水蛭>蚯蚓>螺>蛞蝓。（3）VF生物膜中的微型动物所占的比例为20.4±1.96%，较BF生物膜相比高出6.2%；生物膜中δ15N与δ13C值表明，VF生物膜中栖息有更多的处于高营养级位置的微型动物；蚯蚓的穿梭摄食等行为缩短了VF生物膜的更新周期，增强了其活性，强化了对有机物降解效率。（4）VF中蚯蚓、水蛭、螺与蛞蝓（整体δ15N值的差异均不足3‰）之间不存在明显的相互捕食关系，其营养级位置关系为：水蛭>蚯蚓>螺>蛞蝓，这是由于对不同种群的生物的选择性摄食造成的，这种选择性摄食致微型动物的群落结构产生了较大变化。总之，与BF相比，VF提高了生物膜中微型动物所占的比例，丰富了生物膜的微生的微生物群落结构，增大了系统沿食物链的能量损失，从而强化污泥减量化作用，为进一步揭示VF处理剩余污泥过程中物质传递与能量流动提供了理论依据。