異養硝化-好氧反硝化苯酚降解功能菌株的代謝特性研究

《異養硝化-好氧反硝化苯酚降解功能菌株的代謝特性研究》是依託太原理工大學，由王國英擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：異養硝化-好氧反硝化苯酚降解功能菌株的代謝特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王國英
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

申請者前期從活性污泥中分離得到一株異養硝化–好氧反硝化苯酚降解功能菌株Diaphorobacter sp. PD-7。本課題旨在深入研究同步硝化反硝化苯酚降解過程中菌株的代謝特性。首先明確異養硝化和好氧反硝化代謝途徑；其次對異養硝化-好氧反硝化途徑中催化酶進行酶促反應動力學分析，確定代謝途徑中的限速反應和限速酶；最後構建代謝通量分析數學模型，考察電子傳遞在氧化磷酸化途徑和異養硝化–好氧反硝化途徑的分配比例及兩種途徑各自的產能水平，闡明兩個途徑的關係；並利用基因改造手段增強異養硝化–好氧反硝化代謝活性，考察細胞產還原力產能水平變化及其重新分布情況，對細胞生長代謝是否有促進作用，從胞內代謝角度揭示異養硝化–好氧反硝化的代謝作用。本課題研究可豐富同步硝化反硝化理論，為含酚廢水同步硝化反硝化處理工藝的開發和設計奠定理論基礎。

結題摘要

異養硝化-好氧反硝化是一種新型生物脫氮技術，可以在同一反應器內同時進行硝化和反硝化反應。酚類物質和氨氮是焦化廢水中特徵污染物，開發同時降酚脫氮新工藝，有利於降低處理成本、提高效率，因此有必要研究降酚脫氮菌株的代謝特徵。以焦化廢水活性污泥中篩選分離得到的異養硝化-好氧反硝化苯酚降解菌Diaphorobacter菌為對象，研究了其最佳降酚脫氮條件，在培養過程中硝態氮和亞硝態氮積累，並在後期降低，且細胞生長動力學符合Haldane模型。苯酚可誘導菌株合成鄰苯二酚2,3-雙加氧酶，推斷菌株以間位開環途徑降解苯酚。除苯酚外，菌株還可以利用間甲酚、4-氯酚、喹啉和吡啶為碳源進行脫氮。氮平衡分析表明，52.3%的氨氮轉化為胞內氮，37.2%轉化為氮氣，菌株主要通過細胞同化作用和異養硝化-好氧反硝化作用脫氮。在與波茲坦短芽孢桿菌構建的雙菌種降解體系中，苯酚降解和脫氮速率均比單菌種時速率提高。檢測到氨單加氧酶、羥胺氧化酶、亞硝酸鹽還原酶和硝酸鹽還原酶活性，表明菌株具有完整的異養硝化-好氧反硝化偶聯途徑。分析了這四種酶活性測定的最佳溫度和pH。採用米氏方程進行酶促反應動力學分析，推測亞硝酸鹽還原酶是菌株脫氮過程中的限速酶。構建了菌株的代謝網路模型，通過代謝通量分析，發現溶氧較低時，反硝化產能占總產能的比例較高，隨著溶氧的升高比例降低，而氧化磷酸化產能占總產能的比例隨著溶氧升高而升高。說明溶氧較低時，有較多的電子流向反硝化途徑產能，彌補氧化磷酸化產能不足。溶氧較高時，更多的電子流向產能效率更高的氧化磷酸化途徑產能。採用基因工程手段過表達了亞硝酸鹽還原酶基因nirS，在以苯酚為碳源的培養基中硝化和反硝化速率沒有明顯變化，而在以乙酸鈉為碳源的培養基中，降解50mg/L氨氮由25h縮短至22h，硝態氮降解時間由25h縮短至23h。代謝通量分析表明，過表達nirS後反硝化途徑代謝活力增強，產能增加了16.1%。這些研究成果可為同步硝化反硝化降酚新工藝的開發奠定理論基礎和設計依據。