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面向生物膜双向调控的群体感应/群体淬灭对二氯甲烷废气净化的作用机制

批准号:
52070169
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈东之
依托单位:
学科分类:
大气污染控制工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈东之

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
以二氯甲烷(DCM)为代表的含氯VOCs废气处理是当前大气污染控制领域的难题。利用生物滴滤(BTF)净化含氯VOCs废气具有较高的应用前景,但是存在BTF启动阶段挂膜难、去除负荷低以及长期运行后床层易堵塞的问题,从而限制了该技术的发展与应用。.本项目拟以DCM为模型污染物,通过群体感应(QS)与群体淬灭(QQ)方法调控BTF在净化DCM废气启动期及稳定期后期的生物膜。分析DCM降解菌成膜关键信号分子在BTF中的时空分布规律,揭示QS-QQ平衡及其偏移机制,剖析QS/QQ调控引发的细胞表面疏水性与生物膜厚度变化而导致的DCM传质改变规律,解析调控过程中BTF净化废气的传质-反应动力学,阐明QS/QQ对DCM废气生物净化的作用机制,获得分别面向BTF启动期与稳定期后期生物膜的科学调控策略,从而实现废气中DCM的高效、稳定去除,为QS/QQ技术在含氯VOCs废气生物净化中的工程应用奠定基础。
英文摘要
The treatment of the waste gas containing chlorinated volatile organic compounds (VOCs), e.g. dichloromethane (DCM), is a difficult issue in the field of air pollution control. The biotrickling filter (BTF) has exhibited a promising application prospect in the purification of this kind of waste gas recently. However, it is still suffering from the great difficulty of biofilm formation and the low elimination capacity at start-up period and the frequent occurrence of bed clogging during long-term operation, limiting the further development and application of BTF..In this study, DCM is employed as the model pollutant. Quorum sensing (QS) and quorum quenching (QQ) will be utilized to regulate the formation of biofilm in the BTF at start-up and late steady periods, respectively. The temporal and spatial distribution of the key signal molecule for biofilm formation in DCM removal will be analyzed. The mechanisms of QQ-QS balance maintenance and deviation during BTF operation will be revealed. The changes of cell surface hydrophobicity and biofilm thickness due to QS/QQ regulation and the resulting variations of DCM mass transfer will be explored. Then, the dynamic model for the mass transfer and reaction of DCM in BTF under the regulation will be investigated. Based on these results, the mechanism of QS/QQ influencing the biological treatment of DCM-containing wastegas will be clarified. The reasonable strategy for controlling the biofilm in BTF at start-up and late steady periods, respectively, will be subsequently obtained. Thus, the steady purification of DCM with high efficiency would be realized, which lays sound foundation for the application of QS/QQ technology in the enhancement of the treatment of waste gas containing chlorinated VOCs.
二氯甲烷(DCM)等含氯VOCs废气处理是当前大气污染控制领域的难题,生物滴滤塔(BTF)在处理上述废气时面临微生物成膜慢、启动期长和降解效率低等问题。本研究基于群体感应(QS)和群体淬灭(QQ),建立了面向BTF启动期与稳定期后期的生物膜双向调控策略,研究了QS/QQ对DCM废气生物净化的作用机制。.发现DCM降解菌Methylobacterium rhodesianum H13具有信号分子分泌功能,鉴定该信号分子为己酰基高丝氨酸内酯(C6-HSL),揭示了其分泌量随微生物生长而同步累积规律,首次开发了生物源C6-HSL的制备方法,该信号分子对生物成膜强化效果优于市售同类产品。建立了群体淬灭(QQ)功能微生物筛选体系,选育了一株可减缓生物膜增厚的信号分子降解菌。.信号分子在添加于处理DCM废气的BTF中后呈现随时间递减以及填料层高度递增的时空分布规律,实验组在11天后完成挂膜且填料表面生物量达235 mg/L,启动期较对照组缩短7天,生物量提高80%,长期运行去除负荷和稳定性更好。C6-HSL对生物膜厚、胞外多聚物分泌、细胞表面疏水性和活细胞比例具有积极作用,其浓度是影响QS-QQ平衡及偏移的重要因素。皮尔逊相关性和冗余分析结果表明,C6-HSL有利于DCM降解菌和QS菌的富集。C6-HSL提高了DCM降解关键基因dcmA以及中间产物降解基因(xoxF等)的数量;强化了ATP合成和水解酶相关基因的表达,说明其可诱导菌群提高代谢活性和能量传输;提升了与AI-1信号分子相关的五个基因组(cinI等)数量,反过来促进了信号分子的合成。.利用BTF净化DCM和正己烷双组分废气过程中,添加生物源C6-HSL的实验组对正己烷去除负荷达到对照组的2.4倍。构建了传质-反应动力学模型,解析了限速步骤由传质转换至生物降解的关键因素,发现C6-HSL强化了菌群降解能力和底物毒性耐受力。生物源C6-HSL促使菌群中与糖酵解等代谢过程相关基因水平上调,提升了VOCs降解能力。反应器运行300天后,因生物膜过度积累,BTF压降上升34%,降解性能降低19%。接种QQ菌后,BTF对DCM和正己烷去除负荷分别提高15%和40%以上,生物膜厚度增加趋势得到抑制,活细胞占比由88%提升为96%。QQ菌通过降解信号分子抑制生物膜过量积累并提高生物膜活性,从而实现BTF长期稳定运行。
变价金属胞内植入对三维微生物电解池净化氯苯废气的作用机制
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    48万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    陈东之
  • 依托单位:
基于可回收磁性液体-界面生物交互作用的正己烷废气净化机理
  • 批准号:
    51778581
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    陈东之
  • 依托单位:
国内基金
海外基金