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硫自养型DNRA-厌氧氨氧化完全自养体系构建与同步脱氮除硫机制解析

批准号:
22076100
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
倪寿清
依托单位:
学科分类:
水污染与控制化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
倪寿清

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
尽管已有超过100个厌氧氨氧化处理厂在运行,厌氧氨氧化的应用依然受限于硝氮积累导致的总氮去除率低的瓶颈科学问题。研究发现硫自养型DNRA菌(S-DNRA)与厌氧氨氧化菌在自然生境中共存,且从反应热力学角度S-DNRA比同型反硝化有优势。本项目将通过S-DNRA转化厌氧氨氧化生成的硝氮,同步去除前序厌氧消化产生的硫化物,构建S-DNRA-厌氧氨氧化完全自养体系,在提高总氮去除的同时实现同步脱氮除硫;筛选最优自养体系构建策略,优化体系运行条件;采用同位素示踪、化学计量学等方法研究同步脱氮除硫体系中氮、硫的迁移转化途径;利用高通量和宏基因组测序等分子生物学手段解析微生物群落结构和演替,结合pMENs分析和蛋白质组学,从群落、酶学和蛋白水平上阐明S-DNRA-厌氧氨氧化自养体系同步脱氮除硫的机制。项目成果可有效提高总氮去除、减缓前序工艺产生硫离子的生物毒性,促进厌氧氨氧化和DNRA工艺的应用推广。
英文摘要
Although more than 100 anaerobic ammonium oxidation (anammox) treatment plants are already in operation, the application of anammox is still limited by the bottleneck scientific problem of low total nitrogen removal rate caused by effluent nitrate accumulation. Sulfur autotrophic dissimilation nitrate reduction to ammonium (S-DNRA) bacteria coexist with anammox bacteria in natural habitats, and sulfur autotrophic DNRA has a competitive advantage over autotrophic denitrification from the perspective of reaction thermodynamics. This project will adopt S-DNRA to reduce nitrate produced by anammox, and simultaneously remove sulfide produced by anaerobic digestion. A new S-DNRA-anammoxn complete autotrophic system will be established to improve the total nitrogen removal, achieving simultaneous nitrogen and sulfur removal. The optimal strategy to construct the complete autotrophic system will be screened and the system operating conditions will be optimized. The pathways of nitrogen and sulfur transformation in simultaneous nitrogen and sulfur removal system will be revealed by isotopic tracing technique and stoichiometry. The diversity and succession of microbial communities will also be studied by molecular biological techniques such as high-throughput and metagenomic sequencing in this project. Combined with phylogenetic molecular ecological networks (pMENs) analysis and proteomics, the enhanced nitrogen and sulfur removal mechanism in the simultaneous nitrogen and sulfur removal system will be revealed from community, enzymology and protein levels. This project can promote the total nitrogen removal of anammox. At the same time, the biological toxicity of sulfur ion from the anaerobic digestion can be alleviated. The results may promote the application and spread of anammox and DNRA process.
针对厌氧氨氧化出水硝酸盐积累和总氮去除效率低等关键问题,项目解析了自然生境中异化硝酸盐还原为氨(DNRA)和反硝化菌的微生物群落结构、丰度以及活性,明晰了影响DNRA与反硝化竞争过程的主要环境因子,成功建立了硫自养DNRA(S-DNRA)菌富集培养策略,并构建了S-DNRA耦合厌氧氨氧化脱氮除硫体系,揭示了S-DNRA和厌氧氨氧化耦合体系微生物协作机制,阐明了S-DNRA耦合厌氧氨氧化协同脱氮除硫过程的机理,提出了全新污水脱氮路径。主要研究结论如下:.(1)海洋中平均DNRA潜在速率为8.15 ± 6.30 μ mol N/L/h,明显高于潜在反硝化速率。沉积物的电导率与DNRA微生物群落和关键物种有明显的相关性。.(2)在淡水生境中,DNRA菌功能基因(nrfA)丰度不占优势,但是其占六个采样点总硝酸盐还原量的33.07%至98.08%。nrfA基因的丰度和DNRA速率与潜在的关键物种有明显的相关性,但与优势属无关。.(3)对反硝化、DNRA和Anammox三种硝酸盐还原的潜在速率过程进行测定,结果表明,N/S比=1和N/S比=1.5时DNRA潜在速率最高,分别达到了27.5 ± 0.2 μmol/L/h和3.90 ± 0.02 μmol/L/h。.(4)S-DNRA系统在S/N比为4的条件下,DNRA和反硝化的潜在速率分别为30.75 ± 3.81 μmol/L/h和12.18 ± 1.67 μmol/L/h。宏基因组分箱的结果表明Thiobacillus具有编码DNRA和硫氧化的基因。.(5)研究成功构建了S-DNRA耦合厌氧氨氧化工艺(Anammox-sDNRA),将TN去除率提高到98.8%,有效抑制了反硝化作用对硝酸盐还原过程的贡献,DNRA的潜在速率比反硝化高14倍多。.(6)Anammox-sDNRA体系中DNRA功能基因的bin中多数都具有氨同化基因,表明系统中通过DNRA作用产生的NH4+-N部分通过氨同化作用被转化为氨基酸。在Anammox以及DNRA的优势bin中均检测到硫酸盐还原的功能基因,证明了本研究在硫自养条件下实现了厌氧氨氧化协同DNRA和SRAO同步脱氮除硫工艺。
硝酸盐异化还原菌(DNRA)协同厌氧氨氧化脱氮体系的构建与机理研究
  • 批准号:
    21777086
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    倪寿清
  • 依托单位:
零价铁协同厌氧氨氧化微生物脱氮过程解析和协同机理研究
  • 批准号:
    21477063
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    88.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    倪寿清
  • 依托单位:
颗粒污泥体系中多溴联苯醚微生物降解过程解析
  • 批准号:
    51108251
  • 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:
    倪寿清
  • 依托单位:
国内基金
海外基金