二价铁作为电子供体的反硝化过程的分子生态学机理及调控策略研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51608256
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E1002.城市污水处理与资源化
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Microorganisms use organic matters as electronic donors to reduce nitrate and nitrite to nitrogen gas in traditional denitrification process, therefore, when this process is used to treat low C/N wastewater, extra organic carbon need be added to the bioreactor, which will significantly increase the operational cost. Nitrate-dependent anaerobic ferrous oxidation (NAFO) is an autotrophic denitrification process with many advantages, such as low cost and low sludge production. However, the current studies on NAFO process in wastewater treatment field mainly focused on the reactor operation and parameter optimization. The molecular ecology mechanisms of this process still remain largely unknown. In this project, NAFO process will be implemented in upflow blanket filter reactors and during the reactor startup and running high-throughput sequencing based metagenomic and metatranscriptomic approaches will be applied to investigate the structures and functions of microbial community involved in NAFO process. On one hand, the key microorganisms of the NAFO process and their functions on nitrogen and other pollutants removal will be investigated to elucidate the molecular ecology mechanisms of the NAFO process. At the same time, the bacterial community differences and the nitrogen removal efficiency differences between traditional denitrification and NAFO process will be revealed. On the other hand, the control and optimization methods of the NAFO will be explored based on the understanding of the characteristics of NAFO related bacterial community and the enrichment of specific NAFO bacteria. The outcome of this project is expected to provide theoretical and practical supports for the biological nitrogen removal from low C/N wastewater.
传统生物反硝化过程中微生物以有机物作为电子供体将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮气,用该方法处理低C/N 比的废水时需要外加碳源,成本高。依赖于硝酸盐的厌氧二价铁氧化(NAFO)是一种以二价铁作为电子供体的自养反硝化工艺,具有成本低、污泥产量少等优点。目前国内外对污水处理中NAFO的研究尚处于起步阶段,对于该过程的分子生态学机理还不清楚。本项目拟采用基于高通量测序的组学方法研究厌氧复合床中NAFO启动及运行过程中微生物群落结构和功能,一方面,从分子生态学的角度阐释反应器中NAFO关键菌群的群落结构和功能的演替及对环境条件变化的响应机制,比较其与普通反硝化过程在微生物群落结构和氮的去除效率方面的差异,探索NAFO过程的分子生态学机理;另一方面,从高效NAFO菌富集和筛选及微生物群落特性的角度探索NAFO反应器的优化控制及生物强化的原理和技术,为低C/N 废水生物脱氮处理提供理论依据和技术支撑。

结项摘要

传统生物反硝化过程中微生物以有机物作为电子供体将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮气,用该方法处理低C/N比的废水时需要外加碳源,成本高。以二价铁为电子供体的反硝化过程具有成本低、污泥产量少等优点。本项目系统研究了以二价铁为电子供体的自养反硝化过程的特点及相关的微生物群落结构和功能,并与异养反硝化过程进行了比较。研究发现二价铁为电子供体的自养反硝化过程可实现较好的脱氮除磷效果,但在该过程中很容易产生大量沉淀物将微生物包裹在内部,使微生物活性受到影响,从而降低反硝化效率。针对这一问题,我们从活性污泥中富集了铁自养反硝化菌群和硫自养反硝化菌群,并将其接种到以硫铁矿作为填料的反硝化滤池中,从而实现了持续的脱氮除磷。在此基础上,开发了一种基于硝化过程和硫铁矿自养反硝化过程的脱氮除磷方法,可有效去除水中的氮素并实现磷回收。此外,研究过程中还发现异养反硝化污泥可利用二价铁为电子供体进行自养反硝化,并且具有较高的反硝化效率,异养反硝化污泥的宏基因组分析结果表明,在41个基因组草图中有29个基因组携带有反硝化基因,其中有9个携带有铁氧化基因,8个基因组具有CO2固定功能,表明这些细菌可以在自养条件下生长。本研究结果为低C/N比废水生物脱氮处理提供了一定的科学依据和技术支撑。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Diverse aromatic-degrading bacteria present in a highly enriched autotrophic nitrifying sludge
高富集自养硝化污泥中存在多种芳香族降解细菌
  • DOI:
    10.1016/j.scitotenv.2019.02.172
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Science of the Total Environment
  • 影响因子:
    9.8
  • 作者:
    Sun Haohao;Narihiro Takashi;Ma Xueyan;Zhang Xu Xiang;Ren Hongqiang;Ye Lin
  • 通讯作者:
    Ye Lin
High diversity of potential nitrate-reducing Fe(II)-oxidizing bacteria enriched from activated sludge
从活性污泥中富集的高度多样性的潜在硝酸盐还原 Fe(II) 氧化细菌
  • DOI:
    10.1007/s00253-018-8961-1
  • 发表时间:
    2018-04
  • 期刊:
    Applied Microbiology and Biotechnology
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Liangying Zhang;Haohao Sun;Xu xiang Zhang;Hongqiang Ren;Lin Ye
  • 通讯作者:
    Lin Ye
Aromatic compounds lead to increased abundance of antibiotic resistance genes in wastewater treatment bioreactors
芳香族化合物导致废水处理生物反应器中抗生素抗性基因的丰度增加
  • DOI:
    10.1016/j.watres.2019.115073
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Water Research
  • 影响因子:
    12.8
  • 作者:
    Xia Juntao;Sun Haohao;Zhang Xuxiang;Zhang Tong;Ren Hongqiang;Ye Lin
  • 通讯作者:
    Ye Lin
Denitrification using excess activated sludge as carbon source: Performance and the microbial community dynamics
使用剩余活性污泥作为碳源的反硝化:性能和微生物群落动态
  • DOI:
    10.1016/j.biortech.2017.04.105
  • 发表时间:
    2017-08-01
  • 期刊:
    BIORESOURCE TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Sun, Haohao;Wu, Qiang;Ren, Hongqiang
  • 通讯作者:
    Ren, Hongqiang
Machine learning-aided analyses of thousands of draft genomes reveal specific features of activated sludge processes
对数千个基因组草案的机器学习辅助分析揭示了活性污泥过程的具体特征
  • DOI:
    10.1186/s40168-020-0794-3
  • 发表时间:
    2020-02-11
  • 期刊:
    MICROBIOME
  • 影响因子:
    15.5
  • 作者:
    Ye, Lin;Mei, Ran;Zhang, Xu-Xiang
  • 通讯作者:
    Zhang, Xu-Xiang

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其他文献

变尺度时间窗口和波动特征提取的短期风电功率组合预测
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  • 通讯作者:
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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