压力环境下胞内CO2形态转化对活性污泥耐盐性的影响研究

Salt tolerance researches have been conducted mainly under conditions of normal temperature and pressure, while salt tolerance of microorganism in deep sea, saline sediment, saline confined groundwater and pressurized biological oxidation process happens under pressurized environment. Researches have showed that microorganism in pressurized biological oxidation process has strong tolerant to salt stress. But the effect of pressure on salt tolerance has not be made a systematical and profound study as yet. The study comprehensively analyze the salt tolerance mechanism of microorganism and the relativity between intracellular carbon dioxide and salt tolerance, then the pressurized environment of pressurized active sludge process is chosen as study object. The study focus on the effect on salt tolerance ability by the transformation of carbon dioxide, as an intracellular metabolite of microorganism. Carbonic anhydrase as the key enzyme of hydration of carbon dioxide is taken as the breakthrough point to design related experiments. At the same time, assistant experiments are also designed to study the osmotic adjustment by potassium ion or compatible solute in high salinity condition under pressurized environment in order to make a comprehensive and objective appraisal about the salt tolerance mechanism. As an innovative study about salt tolerance of microorganism, this project has some theory significance for enrichment and improvement of salt tolerance mechanism, and also has the applicable value to instruct the biological treatment of high salinity wastewater.

当前对微生物耐盐性的研究主要是在常温常压下进行的，而深海、盐湖底泥、含盐地下承压水、加压生化等环境中的微生物耐盐行为则发生于压力环境下。研究表明，加压生化工艺中的微生物具有较好的耐盐性能，但压力对耐盐性的影响尚缺乏系统深入的研究。本研究以加压活性污泥法的典型压力环境为研究对象，在综合分析微生物耐盐原理及胞内CO2与耐盐性的相关性的基础上，以微生物体内CO2水合转化的关键酶碳酸酐酶为切入点设计相关实验，重点探讨压力环境下胞内代谢产物CO2的形态转化对耐盐性的影响；同时，结合生化处理的传统耐盐机理设计相关辅助性实验，对压力环境中微生物在高盐度条件下胞内钾离子或相容性溶质的渗透调节情况进行考察，以期对压力环境下的耐盐机制进行系统、客观的评价。本研究是废水生物处理过程中微生物耐盐性的一次创新探索，对丰富和完善微生物耐盐性的相关机理、指导高盐度废水的生物处理具有一定的理论意义和应用价值。

当前对深海、盐湖底泥、含盐地下承压水、加压生化等压力环境下的微生物耐盐行为研究较少。本项目以废水处理的活性污泥体系为研究对象，以序批式运行方式系统研究了压力条件下活性污泥的降解特征。首先充分开展压力条件下活性污泥处理普通废水的降解效果、污泥性状、CO2排放特征、污泥种群结构特征等的研究工作，在此基础上，系统对照了加压与常压活性污泥法耐盐性驯化过程中处理效果、污泥增长、污泥形态、种群结构的动态变化，并进一步研究了驯化过程中的活性污泥脱氢酶、碳酸酐酶等相关酶活的差异。. 研究表明，同等条件下加压活性污泥有机物降解速率高于常压，0.3MPa压力对混合培养菌群无不利影响，相同曝气量下活性污泥EPS组成、含量不同于常压，代谢产物CO2排放浓度异于常压。以序批式运行方式考察压力对活性污泥种群结构的短期影响，采用Illumina高通量测序进行分析，与常压相比，同等条件下压力对活性污泥种群多样性无明显影响，但种群结构及不同分类水平上的微生物组成不同于常压。在未经耐驯化的条件下加压对活性污泥抗盐度冲击能力有不同影响，当普通活性污泥受到低强度盐度冲击时，加压可促进处理效果的提高，起正面作用，而当普通活性污泥受到高强度盐度冲击时加压则可进一步恶化处理效果，对耐盐性起负面作用。经耐盐驯化后加压组活性污泥处理效果优于常压，同时碳酸酐酶活性显著提高，酶活与处理效果有较好的一致性，即对驯化后的活性污泥，加压对其耐盐性起促进作用。驯化过程对活性污泥种群结构分析表明加压组比常压组在高盐度下种群结构差异较大，加压生物多样性显著高于常压，此结果与处理效果一致。. 在本研究的基础上，考虑从两个方面对本项目进行纵深扩展研究，包括：加压连续进出水系统的实验设计与运行，重点解决连续运行过程中的泥水分离与回流控制、稳定性、安全性等方面的自动化设计等相关技术问题；针对加压条件下的气体溶解特征，深入开展活性污泥碳酸酐酶活性及其基因表达的分子生物学机制研究，进一步完善加压条件下微生物耐盐原理的相关理论。