废水厌氧生物处理种间直接电子转移（DIET）过程调控机制研究

批准号：

52070164

项目类别：

面上项目

资助金额：

59.0 万元

负责人：

徐向阳

依托单位：

浙江大学

学科分类：

城市污水处理与资源化

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

徐向阳

关键词：

种间直接电子转移过程调控互营代谢途径厌氧生物处理互营产甲烷菌群

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

废水资源化能源化是水污染控制与治理技术研究的领域前沿与热点，厌氧生物处理是实现废水能源、资源回收的关键核心技术。项目以厌氧生物处理产甲烷过程种间直接电子转移（DIET）新机理为基础，以现有已构建的基于种间直接电子转移厌氧产甲烷反应器（UASB、EGSB）为支撑，研究导电介质、底物以及非稳定工况对不同阶段不同形态污泥（包括颗粒污泥）种间直接电子转移特性影响；应用宏基因组、蛋白组学等方法，系统解析基于种间直接电子传递的互营产甲烷菌群多样性、功能种群差异性，探明胞外电子直接转移特异性功能蛋白、互营代谢与产甲烷过程酶蛋白的差异化表达，明确基于种间直接电子转移的互营产甲烷代谢途径，以期从工艺过程控制、功能种群选择性富集、差异化蛋白表达诱导等角度，阐明厌氧生物处理种间直接电子转移的过程调控机制。这对高效厌氧生物处理新工艺开发与工程化应用、提高废水能源资源回收效率具有潜在应用价值。

英文摘要

Resource and energy recovery from wastewater has become the domain frontier and research focus all over the world, and anaerobic biological treatment is the key technology for realizing the recovery of energy and resource from wastewater. Based on the novel mechanism of microbial direct interspecies electron transfer(DIET) during anaerobic methanogenesis process and the constructed DIET-enhanced anaerobic reactor(UASB/EGSB), effects of different conductive materials, influent substances and unsteady conditions on DIET characteristics with various morphologies and stages are studied in this project, in order to solve the scientific problem of the methanogens community and metabolic pathway in view of DIET. At the same time, metagenomics and proteomics are applied to analyze the diversity of DIET-based syntrophic methanogens and other functional species, and then to prove the differential expression of extracellular electron transfer protein and enzyme protein of syntrophic metabolism and methanogenesis processes. Furthermore, the DIET-based syntrophic methanogenesis pathway is analyzed, and the mechanism of DIET regulation during anaerobic biological treatment is revealed in view of substrate thermodynamics, functional species selection, and differential protein expression. . This project has a potential application value for development and application of the high-rate anaerobic biological treatment novel process and improvement of energy and resource recovery efficiency from wastewater.

项目围绕厌氧生物处理产甲烷互营过程微生物种间电子传递（DIET）的科学问题，研究磁铁矿强化不同底物的 UASB 反应器运行性能，发现磁铁矿有利于相对复杂有机物（包括污泥）厌氧生物转化、发酵产酸，促进胞外黄素、细胞色素C等氧化还原中介体合成，提高厌氧污泥电子转移活性与产甲烷性能。氨胁迫、磁铁矿投加与无机碳回流耦合等工况下对污泥电子转移活性、能量代谢水平、电化学活性物质分泌的调控作用研究表明，投加磁铁矿以及耦合无机碳回流工艺可显著强化厌氧污泥EET能力，增强污泥微生物电子转移活性与能量代谢水平。此外，加电-厌氧膜生物反应器（E-AnMBR）有利于电极膜界面富集有发酵型电活性菌Clostridium与呼吸型电活性菌Geobacter，通过胞内Fdred与膜上Cyt-C蛋白互作与胞外电子传递，加速丙酮酸转化产乙酸。高通量测序、转录组学等方法分析发现磁铁矿可促进Clostridium、Desulfovibrio、Smithella等底物利用类型丰富、具有胞外铁呼吸和电呼吸的电子供体菌群，以及高丰度产甲烷菌Methanosaeta、Methanosarcina、Methanobacterium等电子受体菌群的富集，构建基于DIET的互营功能菌群；应用蛋白组学方法揭示了胞外电子传递特异蛋白、发酵型EET过程丙酮酸脱氢酶等关键酶蛋白、产甲烷过程甲基辅酶、跨膜能量代谢关键酶蛋白等关键酶蛋白的差异化表达，发现投加磁铁矿以及与无机碳回流耦合工艺显著上调丙酮酸脱氢酶亚基（PdhA/B）、Fd氧化酶（Nifj）、乙酰辅酶A合成酶（Acs）以及F420H2脱氢酶（Fpo）、CoF420氢化酶（Frh）、CoB-CoM异二硫化物还原酶（Hdr）等参与DIET产甲烷过程酶蛋白（亚基），进而强化Methanosaeta、Methanosarcina发生DIET介导的CO2还原型产甲烷途径，同步强化乙酸型产甲烷。研究结果初步阐明了废水厌氧生物处理 DIET 过程调控机制，同时发明了磁铁矿投加与无机碳回流耦合强化产甲烷新工艺，为基于强化 DIET 的高效厌氧生物处理新工艺工程化应用、推进废水处理降污降碳奠定了理论基础并提供技术依据。