低温城市污水处理的活性污泥特性及其代谢机理研究

本项目通过对低温城市污水处理厂曝气池内混合液检测分析和实验室模拟低温城市污水生物处理活性污泥特性及代谢机理的研究，探明了活性污泥沉降比、污泥指数等理化特征指标和氧化还原电位（ORP）等生化特征指标均随温度的降低而增大，活性污泥的比耗氧速率（SOUR）、脱氢酶活性（TTC）等生化特征指标随温度的降低而降低，胞外聚合物（EPS）随温度降低而升高；发现了温度低时单细胞动物及简单的原生动物较多，温度高时纤毛虫和后生动物较多；揭示了城市污水处理厂生物菌群多样性随着温度的升高变得越丰富，条带测序结果表明曝气池中含有酸杆菌属（Acidobacterium sp）、真杆菌（Eubacterium）、不动杆菌（Acinetobacter）、α-变形菌（Apha proteobacterium）、弓形杆菌（Acinetobacter）、梭状芽孢杆菌类（Clostridia）等；实验室模拟研究中，由于活性污泥膨胀而调整运行方式为间歇式后，随着温度的继续降低，生物菌群多样性没有显著变化，条带测序结果表明除了有杆菌和球菌等优势细菌外，还有放线菌属、诺尔氏菌、丝硫细菌属；通过实验室模拟研究揭示了完全混合式曝气反应器在采取间歇运行模式下，尽管当温度降低到3℃时，系统仍具有较高的有机物去除和脱氮效果，而富磷污泥中磷的含量也可达干重的3%以上。 2100433B

本项目通过对比考察低温城市污水处理厂和实验室模拟试验的活性污泥特性，研究活性污泥颗粒形态、粒度、沉降性能、脱水性能和活性污泥OUR、ORP、表面电荷、DHA-TTC、EPS等理化、生化特性及其影响因素。利用定量PCR技术、16SrDNA测序、DGGE和FISH技术等，研究活性污泥菌群的理化、生化特征及变化规律，功能菌群菌种自身的演化规律。利用原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜等技术，研究活性污泥菌群的形态、微生物各种功能菌群在活性污泥中分布的变化特征以及生物相转化特征。利用原子吸收光谱、气相色谱、液相色谱等检测仪器，分析检测活性污泥微生物的有机物代谢产物，探讨活性污泥代谢有机物的途径；分析检测氮的各种形态，探讨活性污泥代谢氮的途径；分析检测磷的各种形态，探讨活性污泥代谢磷的途径。揭示活性污泥功能菌群代谢机理，同时建立低温环境下活性污泥特性综合模型，为低温城市污水处理提供理论依据。

背景：环境雌激素是一类影响人类健康，破环生态平衡的内分泌干扰物。环境雌激素的去除方法主要是通过微生物的生物降解代谢来完成。高效雌激素降解菌种类和降解能力需要不断筛选丰富和强化提升，雌激素降解酶与底物的相互作用机制还需要进一步研究，雌激素降解酶编码基因特性与表达调控还需要进一步探索。因此，我们将筛选雌激素高效降解菌，并从菌株降解、生长特性、菌株基因组特征、降解酶基因表达和调控等方面研究雌激素生物降解代谢机制。 研究内容及重要结果：分别取不同雌激素药厂土样、泥样和污水处理厂泥样、水样等样品70个；筛选出雌激素降解菌30余株，雌激素高效降解菌13株。其中，放线菌门红球菌属具有最好的底物适应能力，对大多数高浓度雌激素污染物在实验时间内可完全降解。雌激素降解最优条件：温度为27-33℃，pH值为6.8-8，接种量为5-7.5%。通过全基因组测序技术和RT-PCR等分析技术确定了专性降解菌的基因组基本信息和雌激素降解基因的数量、位置、序列长度和功能作用以及在雌激素降解过程中的作用机制。雌激素高效降解菌生物强化活性污泥，能使原污水处理过程中雌激素降解能力增强25-50%。 意义：通过以上研究，填补了国内雌激素降解菌种不足的空白，明确了雌激素降解酶编码基因的表达和作用机制，同时在专性降解菌强化活性污泥领域做出了首次尝试。为基因重组菌株的构建提供了理论基础，为雌激素生物强化降解菌的制备提供更大的可能。 2100433B

雌激素是一种典型的环境内分泌干扰物，受多环杂化形成的空间位阻效应影响,难以被微生物降解，在许多城市污水处理厂的外排水中都能检测到其存在。当前，针对水中雌激素生物降解的研究，多集中在工艺条件优化和专性降解菌特性分析层面，仅有少数报告涉及基因增强技术应用于去除水中难降解有机物。本项目以典型雌激素--雌二醇、双酚A和壬基酚为研究对象，开展基因修饰强化生物降解水中雌激素的研究，重点体现在以下三个方面：（1）解析专性降解菌的特异基因片段，阐明菌株对典型雌激素的代谢机制；（2）基因重组拓宽菌株底物利用范围，提高对雌激素的降解效率；（3）分析重组菌的特异基因表达，获得重组菌生物强化活性污泥法的调控方法。通过上述研究，可以从基因水平上强化专性菌株的底物利用范围和降解能力，获得基因工程菌应用于生物强化活性污泥法的关键控制方法，为基因技术应用于污水生物处理系统提供理论指导与技术支持。