蚯蚓生物滤池强化污泥减量的能量代谢途径辨析及生态驱动机制

Vermifiltration efficiently and ecologically advancing the reduction of excess sludge in situ is applicable to facilitate sewage/sludge treatment for towns and villages. The previous results offered that deep insights into low microbial biomass and high microbial enzyme activities were crucial to promote excess sludge reduction and improve its stabilization. Accordingly, this project will deeply and systemically explore the energy metabolism pathways and energy flows during organic matter transformation from bacteria to metazoans in vermifiltration. Specifically, Label-free proteomics associated with MiSeq high-throughput sequencing technology can be applied to screen and identify functional microbes and their distributions involved in vermifiltration; to develop expression profiles of differential and specific proteins to reveal their biological processes and molecular functions performed in biochemical reactions through GO function and KEGG pathway analysis. Moreover, by biomass size spectrum technology the project will firstly delineate the microfauna biomass spectrums according sizes in energy flow direction to quantitatively trace the energy flow and distributions from bacteria to metazoans including earthworms. The research results will offer significantly theoretical supporting for further improving excess reduction and stabilization simultaneously using vermifiltration to treat sewage or sludge for towns and villages.

蚯蚓生物滤池是一种生态高效、原位减量剩余污泥的村镇污水/污泥资源化技术。前期研究表明，蚯蚓-微生物互生协作有效减少微生物量，提高微生物酶活性的作用机制是大幅度提高剩余污泥减量和稳定化的关键。为此，本项目拟从有机物转化的能量代谢途径和能量沿捕食关系流动的特征进行系统分析。采用Label-free蛋白质组学，联合MiSeq高通量测序技术，筛选鉴定蚯蚓生物滤池系统中关键的功能微生物种属与分布特征，解析获得蚯蚓-微生物协同共生系统的生境组成规律；开展特异蛋白质的表达图谱研究，利用GO功能和KEGG通路分析差异蛋白质的生物学过程和分子功能，探明微生物酶活性提高的蛋白质代谢途径；采用生物量粒径谱技术，基于以细菌为基础的摄食关系，依照能量流动方向，绘制不同营养层次的微型动物的生物量谱，揭示获得关键微型动物在能量传递过程中的途径及分配关系，最终为蚯蚓生物滤池进一步调控其污泥减量及稳定化提供重要的理论支撑。

本研究通过蛋白质组学与生物粒径谱技术，分析了有机物降解过程中能量流动与生物量的传递关系，揭示了蚯蚓生物滤池（VF）在污水处理或者在剩余污泥处理过程中，实现污泥原位减量的生化能量机制。蛋白质组学研究结果表明， VF系统具有更强的生物降解功能，其微生物活性高，γ-变形菌被鉴定为是VF的主要功能微生物。选取不投加蚯蚓的普通生物滤池（BF）的微生物样品为对照组做参考，VF系统微生物表达显著上调的差异蛋白鉴定为乙醛脱氢酶、分子伴侣蛋白GroEL、ATP合酶α亚基、ATP合酶β亚基、鞭毛蛋白、HtpG。乙醛脱氢酶和鞭毛蛋白是微生物降解难降解有机物过程的重要参与蛋白。ATP结合作用是VF系统内差异蛋白所执行的最主要功能，这说明VF内微生物代谢活跃，微生物的生理活性增强。并且由于仅ATP合酶表达发生单项上调，表明VF内同化作用减弱，削弱了微生物增殖速率，实现了污泥减量。采用水生生态系统中通用的生物量谱理论，以个体大小的分类基础，分析不同粒径范围内微生物的生物丰度的变化规律，研究 结果表明：在蚯蚓生物滤池中，[2000,5000) μm，[1000,2000) μm，[500,1000) μm和[250,500) μm粒径范围内的生物丰度与滤池高度、持泥量、VSS/SS及蚯蚓生物量呈正相关，[31,63) μm 和[125, 250) μm范围内的生物丰度与上述因素呈负相关，[63,125)μm内微生物与上述因素无相关性。与BF比，蚯蚓的引入对[63, 250) μm内的微生物群落结构影响最大；构建以蚯蚓生物量为响应变量，以标准生物量谱的参数斜率、截距、细菌细胞的FSC-A中位数、SSC-A均值及滤池内温度为解释变量的GAM模型，结果表明，标准生物量谱的斜率、滤池内温度（cnT）及SSC-A均值对蚯蚓生物量的响应为非线性，截距和FSC-A中位数为线性，模型解释能力达98.4%；以与GAM一样的解释变量构建蚯蚓生物量的GLM模型，其表达式为：log2Biomass=4.49*slope+2.66*intercept+2.09*cnT+5.01*10-6*FSC-1.64*10-3*SSC+7.52。显著性结果表明，标准化生物量谱的斜率、截距，池内温度，SSC-A均值与蚯蚓生物量均有极好的相关性，FSC-A中位数与蚯蚓生物量较好的相关性,为蚯蚓生物滤池净水和污泥处理提供了理论基础。