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
批准号:
21876090
项目类别:
面上项目
资助金额:
66.0 万元
负责人:
王鑫
依托单位:
学科分类:
水污染与控制化学
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
杜青、李田、廖承美、周乐安、武佳丽、成涛、闫雪军、黄宗亮
中文摘要
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。
英文摘要
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。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。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
登录
查看更多内容
The use of natural hierarchical porous carbon from Artemia cyst shells alleviates power decay in activated carbon air-cathode
使用来自丰年虫孢囊壳的天然分层多孔碳可减轻活性炭空气阴极的功率衰减
DOI:
10.1016/j.electacta.2019.05.098
发表时间:
2019-08
期刊:
Electrochimica Acta
影响因子:
6.6
作者:
[Du Qing, Cheng Tao, Liu Yarui, Li Nan, Wang Xin]
通讯作者:
Wang Xin
A highly sensitive bioelectrochemical toxicity sensor and its evaluation using immediate current attenuation
一种高灵敏生物电化学毒性传感器及其即时电流衰减评估
DOI:
10.1016/j.scitotenv.2020.142646
发表时间:
2021
期刊:
Science of the Total Environment
影响因子:
9.8
作者:
[Li Tian, Liao Chengmei, An Jingkun, Zhou Lean, Tian Lili, Zhou Qixing, Li Nan, Wang Xin]
通讯作者:
Wang Xin
DOI:
10.13671/j.hjkxxb.2019.0247
发表时间:
2019
期刊:
环境科学学报
影响因子:
--
作者:
[朱佳轩, 万雨轩, 王鑫]
通讯作者:
王鑫
Unignorable toxicity of formaldehyde on electroactive bacteria in bioelectrochemical systems
甲醛对生物电化学系统中的电活性细菌具有不可忽视的毒性。
DOI:
10.1016/j.envres.2020.109143
发表时间:
2020-04-01
期刊:
ENVIRONMENTAL RESEARCH
影响因子:
8.3
作者:
[Li, Tian, Chen, Fan, Li, Nan]
通讯作者:
Li, Nan
Efficient regeneration of activated carbon electrode by half-wave rectified alternating fields in capacitive deionization system
电容去离子系统半波整流交变场高效再生活性炭电极
DOI:
10.1016/j.electacta.2018.12.098
发表时间:
2019
期刊:
Electrochimica Acta
影响因子:
6.6
作者:
[Zhou L., Li T., An J., Liao C., Li N., Wang X.]
通讯作者:
Wang X.
面向好氧水体BOD快速检测的细菌新型兼性电营养呼吸机制探索
-
批准号:42442705
-
项目类别:原创探索计划项目
-
资助金额:80.00万元
-
批准年份:2024
-
负责人:王鑫
-
依托单位:
基于分层微生物群落设计的污水处理高效电活性生物膜构建方法探索
-
批准号:--
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:54万元
-
批准年份:2022
-
负责人:王鑫
-
依托单位:
厌氧废水处理与资源化
-
批准号:--
-
项目类别:优秀青年科学基金项目
-
资助金额:130万元
-
批准年份:2019
-
负责人:王鑫
-
依托单位:
生物电化学系统中混菌生物膜的形成过程与快速高效成膜方法研究
-
批准号:21577068
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:70.0万元
-
批准年份:2015
-
负责人:王鑫
-
依托单位:
利用微生物燃料电池研究典型复合污染对根际微生物的生态毒理效应
-
批准号:21107053
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:25.0万元
-
批准年份:2011
-
负责人:王鑫
-
依托单位:
国内基金
海外基金