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水生所在活性污泥菌胶团形成机制研究取得新突破

2017-5-26 10:48| 发布者: candy| 查看: 608| 评论: 0|来自: 新浪网

活性污泥法及其衍生改良工艺是市政污水和工业废水净化处理的主流技术,动胶菌等微生物是构成活性污泥中菌胶团的主要成分。污泥菌胶团可通过重力沉淀下来,实现泥和水的分离,净化后清水经消毒处理即可排出,无需过滤。活性污泥中的微生物利用曝气提供的氧气,迅速地将溶解在污水中的污染物质降解或转化,为己所用,从而实现污水的快速高效净化。在自然界需要4~6个星期才能完成的净化过程,在污水处理厂依靠活性污泥菌胶团只需4~6个小时即可完成。

菌胶团的形成是活性污泥法成功的关键。菌胶团形成菌及其产生的胶质状胞外多聚物(简称EPS)是菌胶团形成所必需的“黏合剂”。EPS种类多样、结构复杂。然而,活性污泥也容易发生“膨胀”,漂浮在水面,不能通过重力沉降下来,随出水流失,影响出水水质和净化效果。活性污泥膨胀归因于丝状菌的过量生长(称为丝状菌膨胀)和菌胶团形成菌EPS过量合成(粘性膨胀)。

中国科学院水生生物研究所研究员邱东茹带领的团队开展了对微生物菌胶团形成的分子机制研究。他们分别从武汉和香港的城市污水处理厂分离得到喜树脂动胶菌(zoogloea resiniphila),进行了基因组测序和分析,揭示了这一活性污泥优势细菌属的碳、氮和磷代谢的一些特点,通过分子遗传学分析,鉴定了与菌胶团形成相关的一个大型基因簇,发现其中两个编码天冬酰胺合成酶的旁系同源基因在菌胶团形成过程中具有重要功能。结合前人和国内外同行研究成果,他们提出了活性污泥法的新概念模型。

最近,该团队以从湖北某自来水厂水井中分离纯化的菌胶团形成菌——解叔丁醇水居菌RN12菌株为研究材料,鉴定了与菌胶团形成相关的大型EPS基因簇、sigma因子RpoN1(σ54)等基因,确定RpoN1是菌胶团形成的主要调控基因之一。有趣的是,该基因插入突变株中所合成的大量胞外多糖被分泌和溶解到培养基中,不能包裹细菌细胞群形成菌胶团。分析发现RpoN1并不影响胞外多糖合成基因的转录,说明RpoN1所调控的基因在表达后通过某种机制使胞外多糖链紧密地结合在细菌群体的表面以形成菌胶团,而不是直接调控EPS的合成。RN12菌株具有rpoN1、rpoN2、rpoN3和rpoN4等四个旁系同源基因,但只有RpoN1能调控菌胶团的形成,并且调节该菌株的群集运动(swarming motility)和生物被膜形成(Bio film formation)。

这些科学发现为揭示活性污泥微生物菌胶团形成机理和脱氮除磷工艺作用原理打下了良好的基础,对活性污泥膨胀的控制、剩余污泥减量和资源化利用等新技术开发具有参考意义。

图1:从武汉市江夏污水处理厂活性污泥中分离的喜树脂动胶菌显微镜照片(左图放大200倍;右图放大600倍;Anetal.,2016)


图2:活性污泥菌胶团形成机制和活性污泥法原理示意图


图3:野生型菌株RN12(A)和菌胶团缺失突变株(B)显微观察(放大1000倍,标尺为10微米)

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