厌氧废水处理系统中外源非匀强电场对电活性微生物的定向富集机理

Anaerobic technologies are widely used in wastewater treatment due to its low energy consumption and energy production. However, the lack of electron acceptor at anaerobic condition leads to the syntrophy of different microorganisms to degrade complex pollutants. In recent years, it is found that direct interspecies electron transfer (DIET) plays an important role on syntrophy, and this process can be controlled by external electric field. Electroactive bacteria is the key of DIET, and its acclimation and growth may be regulated by the external electric field. Nowadays, all the researches used uniform electric field to grow exoelectrogens, so it is hard to tell the effect of electric field intensity on mixed electroactive biofilm. Here we propose to apply a gradual decreased Non-uniform electric field to investigate the biofilm formation and spacial community distribution. We will discuss the response mechanism of different exoelectrogens to the electric field on the basis of molecular biology analysis. The competition mechanisms of different species in this field will be also discussed. We will construct novel electrophoresis method for living bacteria to analyze the behavior of electroactive bacteria in electric field. These researches will partly reveal the basic mechanism of bioelectrochemical control in anaerobic system, providing a theoretical basis for the enhanced DIET technologies in anaerobic wastewater treatment systems.

厌氧生物处理系统具有低能耗、可产能等优点，被越来越广泛地用于废水处理中。然而在厌氧系统中由于电子受体缺乏，微生物间常通过互营实现复杂污染物降解。近年来发现，种间直接电子传递互营过程扮演越来越重要的角色，该过程可简单通过外加电场进行调控。电活性微生物是厌氧废水处理系统中直接电子传递互营的核心，而其富集和生长过程可能受到外加电场的调控。目前培养电活性微生物的体系均采用匀强电场，难以在同一体系中确认电场强度对混菌电活性生物膜的影响。本研究提出在非均匀的阶梯式渐变电场中重点考察电活性生物膜的形成过程、空间群落分布，揭示模式电活性微生物对外加电场响应的分子机理，从种水平阐明电活性微生物在非匀强电场中的竞争机制。建立电活性活细菌电泳方法，解析直接电子传递互营微生物在非匀强电场中的行为。该研究将部分揭示厌氧废水处理系统中微生物电化学调控的基本原理，为强化种间直接电子传递的厌氧废水处理新技术提供理论基础。

厌氧生物处理系统具有低能耗、可产能等优点，被越来越广泛地用于废水处理中。然而在厌氧系统中由于电子受体缺乏，微生物间常通过互营实现复杂污染物降解。近年来发现，种间直接电子传递互营过程扮演越来越重要的角色，该过程可简单通过外加电场进行调控。目前培养电活性微生物的体系均采用匀强电场，难以在同一体系中确认电场强度对混菌电活性生物膜的影响。本研究搭建了非匀强电场微生物成膜监测系统，发现污水中的电活性微生物具有趋电生长的特性，强电场区域比弱电场区域厚度增加了1.7倍。群落解析结果发现，强电场区域聚集的电活性微生物主要是Geobacter属的G. sulfurreducens PCA和G. anodireducens SD-1。G. anodireducens SD-1表现出随电场强度升高而占比增大的现象。随后，在非均匀的阶梯式渐变电场中重点考察了电活性生物膜的形成过程、空间群落分布，解析了微生物趋电生长机理。通过对G. sulfurreducens PCA和G. anodireducens SD-1在非匀强电场调控下的生物膜生长过程监测，发现二者均有趋电生长趋势，G. anodireducens SD-1的趋势更加显著。G. anodireducens有229个基因随局部电场强度升高而上调，是G. sulfurreducens上调基因数量的46倍（仅5个基因），发现了G. anodireducens独特的趋电机理是：以双组分系统（TCS）为感知电场的起点，上调了趋化性、信号转导、EPS分泌、底物代谢、细胞分裂等相关基因。上述发现进一步在微生物电解池中获得了验证。通过改变电极间距，发现了微生物阳极降解苯酚的效率与电场强度而非电极间距有关，这突破了以往认为的电极间距仅影响欧姆内阻的认知。通过缩小电极间距的方法提升电场强度，可提升阳极生物膜内Geobacter的含量，同时调控了溶液中悬浮的苯酚降解菌。本项目成果可用于指导高性能微生物电化学反应器的开发，以及促进难降解污染物的降解。本项目共发表SCI论文16篇，其中包含3篇ES&T和2篇Water Research研究论文，获授权国家发明专利11项、实用新型专利2项。其中2项实现了应用转化。项目负责人获教育部自然科学二等奖（排名第一）、中国环境科学学会青年科学家金奖，当选英国皇家化学会会士。