好氧污泥颗粒化过程中胞外蛋白的作用机理研究

好氧污泥颗粒化是近年来国内外废水生物处理领域的研究热点。胞外多聚物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）在颗粒污泥形成过程中起着重要作用。项目在前期研究的基础上，以污泥胞外蛋白为重点，应用蛋白组学等研究技术方法，系统研究污泥颗粒化过程污泥EPS蛋白质差异表达、运行工况对污泥EPS蛋白质差异表达调控作用以及成熟颗粒污泥EPS蛋白组，明确调控污泥颗粒化和稳定颗粒结构的功能蛋白，以此揭示胞外蛋白在颗粒污泥形成中的作用，为系统阐明好氧污泥颗粒化微生物学机理提供理论依据。

项目针对好氧污泥颗粒化、结构稳定化机理不明晰以及调控对策缺乏等瓶颈问题，基于前期研究发现EPS在颗粒污泥形成过程中的重要作用，开展好氧污泥颗粒化及工况调控下EPS关键组分，尤其是PN组成差异及其作用机制研究。结果表明，好氧污泥颗粒化过程PN含量变化与颗粒粒径演变呈明显正相关（R2为0.9021），微生物在生物、水力双重选择压下应激赋予的高PN/PS比（>3.5）条件利于其团聚形成颗粒污泥结构。应用SDS-PAGE分析PN组分发现，颗粒化过程污泥EPS中大分子蛋白（20.1–66.4 kDa）比例明显增加，进一步结合EEM、FTIR等技术解析EPS关键组分发现，芳香族类蛋白在污泥颗粒化过程起重要作用，蛋白质聚合链、α-螺旋、β-折叠等二级结构利于微生物团聚、污泥颗粒化。对不同结合态的污泥EPS分析发现，高生物选择压下污泥TB-EPS大幅增加，而LB-EPS则变化不明显，具体组成分析揭示了强化污泥TB-EPS（分子量大于97.2 kDa，尤其是类蛋白类物质）富集、控制LB-EPS过度积累的培养策略有利于好氧污泥颗粒化。应用2-DE/MS技术分析颗粒化过程污泥PN差异表达发现，颗粒污泥内伴侣蛋白、连接蛋白、新陈代谢相关蛋白高度富集，其中：伴侣蛋白（htpG、GroEL等）通过信号分子传导构建网络体系，影响蛋白质转运、定位或分泌；连接蛋白（bztA、Extracellular solute-binding protein）通过介导细胞通讯影响微生物定殖、粘附和团聚，上述两类蛋白的高度富集利于微生物团聚、污泥颗粒化；此外，新陈代谢相关蛋白在细胞外大量存在可强化有机污染物高效降解。在此基础上，开展工况优化调控下颗粒污泥EPS蛋白差异表达研究发现，工艺选择压强化后颗粒污泥PN/PS比增高（3-6），芳香族蛋白、蛋白质二级结构AmideⅠ3-turn helix 和ß折叠结构等利于颗粒结构稳定的PN组分得以富集，加速胞外蛋白分泌或重建的PPIase、促进聚合物的跨膜运输及传递的OprF和OMPs等蛋白在细胞内高度表达，实现好氧颗粒污泥结构稳定。研究结果揭示了胞外蛋白在颗粒污泥形成中的作用，为阐明好氧污泥颗粒化微生物学机理提供科学依据。.对照项目研究计划，课题组较好完成项目研究内容，达到预期研究目标，发表SCI论文6篇，授权发明专利1项，培养研究生4名。