基于微生物群体感应的菌-藻共生好氧颗粒污泥形成机理及“菌-藻”互作机制

Algal-bacterial symbiotic system can be used to efficiently remove nitrogen and phosphorus in the sewage, which has great development potential in the field of wastewater treatment. However, the poor sedimentation performance of small algal cell determines that the harvest and biomass separation and recovery are difficult. Thus, this research will utilize the self-coagulation of the aerobic granular sludge (AGS) to establish the algal-bacterial symbiotic aerobic granular sludge. It will not only solve the separation problem, but also the mutually beneficial symbiotic relationship between bacteria and algae can improve the removal rate of nitrogen and phosphorus and other organic compounds in the wastewater. This subject is proposed to explore the micromorphology of the algal-bacterial symbiotic aerobic granular sludge, the flora distribution characteristics and the sewage treatment efficiency, to analyze the formation mechanisms of the algal-bacterial AGS, to unveil the interaction between the algae and the bacteria from the perspective of quorum sensing signaling molecules, and to clarify the strategy and mechanisms of the system stability by a variety of modern means of characterization and analysis. Collectively, the outcome of this research will provide the scientific guidance for the popularization and application of the algal-bacterial symbiotic system in the field of wastewater treatment.

菌藻共生系统可实现高效脱氮除磷，在污水处理领域具有较大的开发潜力。鉴于菌藻共生系统在应用过程中存在藻细胞个体微小、采收难度大等难以突破的关键问题，本课题拟利用好氧颗粒污泥的微生物自凝聚作用，将其作为固定化载体，构建菌-藻共生好氧颗粒污泥系统，既可解决悬浮藻细胞与处理出水分离难的问题，又可以充分利用菌藻共生系统的生物吸收与降解特征，提高污水处理效能。本课题拟采用多种现代表征与分析手段，探究菌-藻共生好氧颗粒污泥的微观形态、特征菌群分布和污水处理效能等特性，从信号分子介导的微生物群体感应角度揭示菌-藻共生好氧颗粒污泥的形成机理，阐明“菌-藻”之间的相互作用过程及相应机制，探究该系统的稳定性控制机制。课题将为菌藻共生系统高效净化污水的进一步推广应用提供科学指导。

好氧颗粒污泥（AGS）是活性污泥微生物通过自凝聚形成的生物聚集体，因其结构致密、生物量高、沉降性能好和占地面积小等优势，被认为是一种颇具发展潜力的污水处理技术，但运行中也存在高曝气能耗、启动期长和长期运行颗粒结构不稳定的问题。针对这些问题，课题利用菌藻共生系统中细菌和藻类之间的气体交换、物质循环和营养依赖等生态学关系，提出了将AGS技术与菌藻共生系统进行耦合，构建了菌藻共生好氧颗粒污泥（ABGS）系统，解决菌藻共生体系中藻类采收难、占地面积大等难题。ABGS系统能够利用藻类原位产氧过程，实现低曝气条件下的稳定运行，可以节约曝气的能耗。课题从微生物群体感应角度探索了信号分子N-酰基高丝氨酸内酯在ABGS形成过程和保持稳定性方面的调控作用，揭示了ABGS的形成机理；在此基础上，提出了一种基于AHLs产生菌强化污泥颗粒化的方法，并验证了短期强化所形成的ABGS在实际生活污水处理中的可行性，为该技术的工程推广应用提供理论基础。. （1）课题开展了ABGS的形成过程及特性研究。基于培养AGS的序批式反应器，通过控制外界光照条件促进系统内藻类的自发生长，成功构建了ABGS系统，并优化了系统的运行参数，开展了ABGS的形成过程及特性研究。. （2）课题探究了信号分子AHLs介导的微生物群体感应在菌藻共生污泥颗粒化过程、胞外聚合物产生以及微生物群落演替中的调控作用，阐明了ABGS的形成机理。结果表明，C6-HSL和3OC8-HSL是ABGS中主要存在的两种信号分子，参与介导ABGS的颗粒化过程和EPS的合成，在微生物群落结构组成方面也起到重要的调控作用。. （3）课题提出一种基于群体感应的强化污泥快速颗粒化的方法。通过从颗粒污泥体系中分离得到AHLs产生菌，短时期投加AHLs上清液可加快污泥颗粒化速率，提高了污泥的沉降性能，并诱导了系统内AHLs的持续释放和色氨酸及芳香族类蛋白质的分泌，使颗粒结构更加致密，抑制了丝状菌过度繁殖。. ABGS系统的成功构建为实现高效低耗生物法处理污水打下良好的理论基础，为我国污水处理领域的未来发展提供新的思路。