人工湿地中反硝化菌群对污水厂尾水中腐殖性有机物的利用规律及生物学机制研究

The key problem is lack of carbon sources in constructed wetland used for wastewater treatment and recycling. It is generally accepted that easy degradation organic is used as carbon source by denitrifying bacteria in denitrificaiton process. Recently, it is found that the novel soluble humic organic can be used as carbon source in denitrification process. However, why the process took place is still in black box. In this study, deep constructed wetlands will investigated for finding the influence of environment factors, C/N, hydraulic loading on the process. The variation of soluble refractory organic along the treatment units will also be studied used by three-dimensional fluorescence and Chromatography, for the purpose of discovering what types organic matter can be used in the novel process. Genomics is adopted in order to find diversity of the microorganisms, population Structure, evolutionary relationship in the novel process and make clear the key functional gene of key enzyme. The evolution law of denitrification functional gene will be investigated by real-time PCR and relationship between functional gene and denitrificaion rate will be determined. Hence, it is meaningful to study the mechanism of the process; the theory and guiding the design of construed wetland for wastewater treatment and recycling.

“缺碳”是污水厂尾水除氮的核心问题，尾水中的腐殖性有机物一般认为难以被反硝化细菌利用。申请人近期的研究发现，深型垂直流人工湿地中的反硝化菌可以利用污水中的腐殖性有机物为碳源进行反硝化，但其影响因素和生物学机制仍不清楚。本课题以深型垂直流人工湿地为研究对象，分析不同环境因子、水质条件、水力负荷等对以腐殖性有机物为碳源的脱氮过程的影响规律，揭示以腐殖性有机物为碳源的反硝化的控制条件，定量分析以腐殖性有机物为碳源反硝化过程中的沿程变化规律，采用宏基因组学等分子生物学技术手段分析以腐殖性有机物为碳源反硝化过程中微生物的多样性、种群结构等，解析该过程中编码关键酶的功能基因。运用Real-time PCR实时定量技术定性定量解析反硝化菌功能基因的演化规律，建立功能基因与反硝化速率的定量关系。本研究不仅可以丰富人工湿地的脱氮理论，而且为污水厂尾水的湿地的深度处理提供理论支撑。

本项目针对污水厂尾水除氮过程中缺少碳源的核心问题，研究深型垂直流人工湿地中的反硝化菌利用污水中的腐殖性有机物为碳源进行反硝化的过程。采用三维荧光分析、高通量测序、宏基因组学等分子生物学技术手段，解析环境因子、水质条件等因素对以腐殖性有机物为碳源的脱氮过程的影响规律，揭示功能菌群的生物学影响机制，为湿地系统尾水脱氮技术的发展提供切实可靠的理论依据。本研究结论归纳如下：.（1）深型垂直流人工湿地氮脱除系统在水力负荷为6cm/d、进水溶解氧浓度为4mg/L的最佳运行条件下，系统在30cm以上具有较好的脱氮效果，NH4+-N的去除率高达96.5%；在30cm处CODcr的去除率达90%以上，随着深度的继续增加，CODcr浓度基本不变，大部分可降解有机物已在0～20 cm 的上部区域降解，致使系统下部反硝化缺氧区碳源不足；.（2）通过三维荧光荧光峰的位置及其荧光强度判断，类富里酸、类胡敏酸、类酪氨酸与类富里酸为深型垂直流人工湿地氮脱除系统中模拟用水的主要组成成分，有机物的降解程度排序为：类色氨酸 > 类胡敏酸 > 类酪氨酸 > 类富里酸；.（3）优势菌属梭菌属主要是通过间接作用和直接作用影响系统中的脱氮过程。直接作用是在厌氧条件下将自身胞内电子通过细胞膜上的细胞色素传递到胞外电子受体上，从而使硝酸盐有机会得到电子而被还原成氨，再被菌体利用合成氨基酸；间接作用是梭菌属降解胡敏酸形成小分子有机物，并且硝酸盐能够激活梭菌属多种胞外氧化酶，强化其对复杂有机物的降解能力，从而为反硝化提供可利用的碳源。