基于高通量測(cè)序的微生物強(qiáng)化污泥減量工藝中微生物群落解析

宋云龍,張金松*,朱 佳,邵明非,鄧仁健

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基于高通量測(cè)序的微生物強(qiáng)化污泥減量工藝中微生物群落解析

宋云龍1,張金松1*,朱 佳2,邵明非1,鄧仁健1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院,土木與環(huán)境工程學(xué)院,廣東 深圳 518055；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院,廣東 深圳 518055)

利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)微生物強(qiáng)化原位污泥減量工藝中微生物群落進(jìn)行解析.結(jié)果表明,外源菌劑的投加改變了活性污泥中微生物群落結(jié)構(gòu),菌劑的有效成分乳桿菌屬和醋酸桿屬在強(qiáng)化組中含量顯著增加.科水平上的群落多樣性分析顯示:強(qiáng)化組厭氧區(qū)Siompson指數(shù)、Shannon指數(shù)和Pielou指數(shù)均不同程度升高,群落多樣性增加.聚類分析顯示,微生物群落按時(shí)間順序明顯聚為3簇,強(qiáng)化組厭氧區(qū)微生物群落隨時(shí)間發(fā)生較大演變.主坐標(biāo)分析顯示,強(qiáng)化組和對(duì)照組微生物群落明顯聚為2類,其厭氧區(qū)群落分別按照不同的方向演變,微生物強(qiáng)化和DO降低的協(xié)同作用是強(qiáng)化組群落演變驅(qū)動(dòng)力,DO降低是對(duì)照組群落演變驅(qū)動(dòng)力.典范對(duì)應(yīng)分析顯示顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子依次為pH值、水溫和DO.

高通量測(cè)序；微生物強(qiáng)化；水解酸化；群落解析

微生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中主要用于去除難降解有機(jī)物[1-4],近年來(lái)由于我國(guó)污泥問(wèn)題日益嚴(yán)峻[5-7],研究者嘗試將微生物強(qiáng)化技術(shù)用于污泥的處理處置[8-9].微生物強(qiáng)化原位污泥減量作為一種新興、高效的污泥減量技術(shù)受到廣泛關(guān)注,并取得了顯著的污泥減量效果[10-12],但是由于其減量機(jī)理尚不明確,因而尚未得到大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用.現(xiàn)有的微生物強(qiáng)化污泥減量機(jī)理分析多停留在理化性質(zhì)層面,而微生物強(qiáng)化對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響方面的研究較少.現(xiàn)有微生物群落分析多是依靠PCR-DGGE技術(shù),僅通過(guò)電泳圖譜中的幾十個(gè)條帶信息對(duì)微生物群落多樣性進(jìn)行定性或半定量的分析, 而DGGE技術(shù)對(duì)于群落中相對(duì)豐度低于1%的非優(yōu)勢(shì)物種檢測(cè)效果甚微[13],難以從多個(gè)分類層對(duì)物種豐度和群落特征進(jìn)行更全面深入的信息挖掘[14-16].以Illumina測(cè)序?yàn)榇淼牡?代高通量測(cè)序具有測(cè)序成本低、信息采集量大、適用性廣等優(yōu)點(diǎn),成為近年來(lái)應(yīng)用最廣泛的測(cè)序技術(shù)[17-20],為深度解析活性污泥微生物群落提供了有力的支持.

課題組前期通過(guò)投加菌劑的方式對(duì)A/O工藝活性污泥進(jìn)行微生物強(qiáng)化作用,取得了30%左右的污泥減量效果[21].在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步依托高通量測(cè)序平臺(tái)Illumina-HiSeq2000,研究了低污泥濃度工況中外源菌劑的投加對(duì)活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,從群落演變的層面探討了A/O工藝中微生物強(qiáng)化原位污泥減量的機(jī)理,為微生物強(qiáng)化原位污泥減量技術(shù)的規(guī)?；茝V應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 A/O中試試驗(yàn)

1.1.1 中試裝置 裝置位于深圳市羅芳污水處理廠,整個(gè)系統(tǒng)為兩套完全平行且獨(dú)立運(yùn)行的A/O工藝中試裝置,模擬羅芳污水處理廠一期處理工藝,單臺(tái)設(shè)備處理規(guī)模240m3/d,構(gòu)造如圖1所示,其厭氧1區(qū)、厭氧2區(qū)、好氧1區(qū)、好氧2區(qū)和沉淀池有效容積分別為12.5,25,22,22,30m3.

1.1.2 試驗(yàn)污水污泥 中試進(jìn)水取自深圳羅芳污水處理廠一期工程的中間沉淀區(qū),具體水質(zhì)如下:pH值為6.25~7.68,均值7.03;COD為102~ 334mg/L,均值155mg/L;BOD5為47~135mg/L,均值67mg/L;總氮為21~52mg/L,均值32mg/L;氨氮為13~42mg/L,均值21mg/L;總磷為1.59~ 6.97mg/L,均值3.25mg/L.試驗(yàn)污泥取自深圳羅芳廠一期AA/O工藝好氧區(qū).

1.1.3 菌劑投加及運(yùn)行方式 菌劑投加量為日處理水量(240m3/d)的萬(wàn)分之四(96kg),投加點(diǎn)為厭氧2區(qū),一次性投加.投加微生物菌劑的稱強(qiáng)化組,未投加微生物菌劑稱對(duì)照組.中試運(yùn)行條件模擬羅芳污水處理廠的生產(chǎn)工況:反應(yīng)體系MLSS維持在3500~4000mg/L,好氧區(qū)DO維持在3~5mg/L,厭氧區(qū)DO維持在0.05~0.15mg/L,污泥回流比為1~1.2,強(qiáng)化組和對(duì)照組污泥齡分別為28.04和17.99d,兩組HRT均為8.15h,在保證出水達(dá)到GB18918-2002[22]規(guī)定的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的前提下盡量減少排泥.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣 取強(qiáng)化組和對(duì)照組厭氧2區(qū)的第3,10,21d的活性污泥,相應(yīng)標(biāo)記為d3-Y1、d3-Y2、d10-Y1、d10-Y2、d21-Y1、d21-Y2,取強(qiáng)化組和對(duì)照組好氧2區(qū)的第5、21d的活性污泥,相應(yīng)標(biāo)記為d5-H1、d5-H2、d21-H1、d21-H2.活性污泥樣品經(jīng)0.2mm玻璃纖維濾膜過(guò)濾后-80℃保存.

1.2.2 檢測(cè)方法 用FastDNA?土壤試劑盒(MP Biomedicals,Illkirch,France)進(jìn)行細(xì)菌組DNA提取.16S rRNA基因V6區(qū)序列采用引物對(duì)967F (CAACGCGAAGAACCTTACC)與1046R (CGACAGCCATGCANCACCT)進(jìn)行擴(kuò)增[23]. PCR條件:98℃變性2min,然后28個(gè)循環(huán)(98℃20s,55℃20s, 68℃1min),最后在68℃延伸5min.為減少PCR擴(kuò)增前期的潛在錯(cuò)誤,每DNA樣品同步進(jìn)行2個(gè)平行擴(kuò)增,最后再進(jìn)行混合與后續(xù)分析.擴(kuò)增后采用2.0%的瓊脂糖凝膠電泳對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證.最后,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物采用純化試劑盒(天根,北京)進(jìn)行純化,并采用光度法(NanoDrop-1000)測(cè)定產(chǎn)物濃度后混合樣品,保證各樣品核酸濃度基本相同.最后采用Illumina- HiSeq2000(深圳華大基因)高通量測(cè)序平臺(tái)測(cè)序后進(jìn)行群落解析.

1.2.3 多樣性指數(shù)的計(jì)算 辛普森多樣性指數(shù)(Simpson's diversity index,)[24]:

式中:p表示種的個(gè)體在群落中的比例;p2表示隨機(jī)取2個(gè)個(gè)體為同種的概率.

香濃多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener,￠)[25]:

式中:表示總的物種數(shù);p表示第個(gè)種占總數(shù)的比例.

Pielou均勻度指數(shù)(Pielou's evenness index,)[26]:

式中:￠為香農(nóng)指數(shù);是￠的最大值.

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物強(qiáng)化污泥減量效果及污水處理效能

表1 微生物強(qiáng)化污水處理效果 Table 1 Pollutants removal efficiency by bioaugmentation

中試裝置有效運(yùn)行了30d,取得了良好的污泥減量效果.強(qiáng)化組和對(duì)照組的MLSS產(chǎn)率分別為0.36,0.49kgMLSS/kgCOD,MLVSS產(chǎn)率分別為0.19,0.26kgMLSS/kgCOD,MLSS和MLVSS減量率分別為26.24%和28.09%.微生物強(qiáng)化污水處理效果見(jiàn)表1,可以看出,投加菌劑后,強(qiáng)化組SS、COD、BOD5、TN、氨氮的去除效果得到不同程度的加強(qiáng),但TP的去除能力略微下降.強(qiáng)化組和對(duì)照組均出水達(dá)到GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

2.2 高通量測(cè)序?qū)ξ⑸锶郝涞蔫b定效率

本次測(cè)序各樣品原始序列數(shù)分布比較均勻,除D21-H2較高之外,基本在10000條左右(表2).對(duì)原始DNA序列去除了古菌序列,并刪除了錯(cuò)誤序列,最終將各樣品的DNA序列數(shù)統(tǒng)一為7341條.之后采用Uclust方法以及0.97的相似度對(duì)序列進(jìn)行聚類,針對(duì)聚類獲得的OTU采用First方法抽取代表性序列,將代表序列與Greengene數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),完成對(duì)各OTU的注釋.從而將各樣本中每條序列鑒定到門、綱、目、科、屬、種等不同的分類水平.

表2 各樣品測(cè)序深度 Table 2 Sequence depth of each sample

注:可鑒定序列是指本次測(cè)序測(cè)得序列中與Greengene數(shù)據(jù)庫(kù)已知物種序列相似度不低于97%的序列,低含量物種是指比例低于1%的可鑒定序列所對(duì)應(yīng)的物種.

本次測(cè)序在門、綱、目、科、屬、種水平上的鑒定率分別是98.76%、94.58%、87.56%、82.65%、51.14%和0.69%,在門、綱、目、科水平鑒定結(jié)果良好,對(duì)屬水平也有一定鑒定效率,對(duì)種水平鑒定能力較差(表3).

2.3 微生物強(qiáng)化對(duì)群落組成的影響

表4列舉了A/O中試裝置活性污泥中的優(yōu)勢(shì)微生物,按照相對(duì)豐度降序排列.厭氧區(qū)和好氧區(qū)在門水平上的優(yōu)勢(shì)微生物組成相種類相同,主要有變形菌門(Betaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、浮霉菌門(Planctomycetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi),且按照豐度排序基本一致;在綱、目水平上,厭氧區(qū)和好氧區(qū)優(yōu)勢(shì)微生物組成相同,但按照豐度排序差異較大;在科、屬水平上厭氧區(qū)與好氧區(qū)微生物組成種類基本相似,腐螺旋菌科(Saprospiraceae)和亞硝化單胞菌科(Nitrosomonadaceae)分別是厭氧區(qū)和好氧區(qū)的優(yōu)勢(shì)科,索氏均屬(Thauera)和苯基桿菌屬(Phenylobacterium)分別是厭氧區(qū)和好氧區(qū)的優(yōu)勢(shì)屬;厭氧區(qū)和好氧區(qū)的各科屬微生物豐度差異較大.

注:( )內(nèi)為相對(duì)豐度.

微生物菌劑中最多的是厚壁門(Firmicutes),占細(xì)菌總數(shù)的53.48%,其次是變形門(Proteobacteria),占細(xì)菌總數(shù)的46.38%,其中對(duì)污泥水解酸化具有強(qiáng)化作用的主要是乳桿菌屬()和醋酸桿菌屬().乳桿菌屬屬于厚壁門(Firmicutes)、桿菌綱(Bacilli)、乳桿菌目(Lactobacillales)、乳桿菌科(Lactobacillaceae),醋酸桿菌屬屬于厚壁門(Firmicutes)、梭菌綱(Clostridia)、梭菌目(Clostridiales)、真桿菌科(Eubacteriaceae).乳桿菌屬是異養(yǎng)菌,耐酸性,能發(fā)酵分解糖代謝,終產(chǎn)物中50%以上是乳酸[27],在污水污泥處理中有廣泛的應(yīng)用.Vellingiri等[28]利用馴化培養(yǎng)的嗜酸乳桿菌降解生活污水中總懸浮固體,同時(shí)對(duì)COD和BOD5都有很好的降解效果.Oh等[29]通過(guò)向厭氧發(fā)酵罐接種乳酸桿屬?gòu)?qiáng)化初沉污泥水解酸化,SCOD增加59%以上,同時(shí)產(chǎn)生了醋酸、乳酸、丙酸、丁酸和戊酸等多種有機(jī)酸.醋酸桿菌屬也是一類化能異養(yǎng)菌,耐酸性,能將乙醇氧化成醋酸,并可將醋酸和乳酸氧化成CO2、水和H2等[30].兩種菌屬在污水處理過(guò)程中的有機(jī)物水解酸化過(guò)程中都扮演著重要角色,常用作復(fù)合微生物菌劑的主要成分[31-32].對(duì)中試裝置活性污泥高通量分析結(jié)果顯示,第3,10,21d的強(qiáng)化組(對(duì)照組)厭氧區(qū)變形門分別為67.95%(64.71%)、66.96%(77.44%)、64.56%(74.66%),厚壁門分別為0.91%(1.37%)、2.39%(1.42%)、3.04%(2.01%).微生物強(qiáng)化使強(qiáng)化組的厚壁門含量增加了2倍多,變形門的增長(zhǎng)受到抑制.屬水平上第3,10,21d的強(qiáng)化組(對(duì)照組)厭氧區(qū)醋酸桿屬相對(duì)豐度分別為3%(2%)、7%(2%)、8%(3%),乳桿菌屬相對(duì)豐度分別為5%(3%)、10%(4%)、9%(3%).可見(jiàn)菌劑中的功能組分在強(qiáng)化組中都顯著增長(zhǎng),并對(duì)活性污泥水解酸化起到了強(qiáng)化作用.

群落解析結(jié)果越接近真實(shí),綜合考慮分類層次和鑒定率,對(duì)科水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入解析.圖2反映了A/O中試裝置厭氧區(qū)和好氧區(qū)不同運(yùn)行階段的科水平的微生物群落組成,活性污泥中科水平微生物群落結(jié)構(gòu)變化明顯.強(qiáng)化組和對(duì)照組的厭氧區(qū)中高含量物種的總比例變化差明顯.所占比例分別是71.80%、72.10%和69.99%,呈現(xiàn)出穩(wěn)中微降的變化趨勢(shì);對(duì)照組高含量物種第3,10,21d所占比例分別是73.75%、75.03%和75.30%,呈現(xiàn)逐步升高的變化趨勢(shì).這說(shuō)明外源菌劑的投加改變了強(qiáng)化組厭氧區(qū)微生物組成和分布.具體的,Comamonadaceae是A/O裝置活性污泥中含量最多的微生物,強(qiáng)化組中的Comamonadaceae由第3d的15.49%降到第21d的12.23%,而對(duì)照組中Comamonadaceae基本不變;強(qiáng)化組中Sinobacteraceae由5.03%降低至3.01%,對(duì)照組Sinobacteraceae基本恒定;同樣還有Alcaligenaceae、Haliangiaceae、Polyangiaceae和Saprospiraceae等在強(qiáng)化組中都明顯減少,在對(duì)照組中基本不變.其中Alcaligenaceae是一類產(chǎn)堿的好氧菌,它在強(qiáng)化組中含量的減少,是由于外加菌劑中的乳酸桿菌和醋酸桿菌等酸性菌在強(qiáng)化污泥水解酸化時(shí)降低了體系的pH值,通過(guò)種間競(jìng)爭(zhēng)的方式抑制了Alcaligenaceae的增殖.Nitrosomonadaceae是亞硝化單胞菌科,在有機(jī)氮轉(zhuǎn)變成硝酸鹽的過(guò)程中起著重要作用.Nitrosomonadaceae變化規(guī)律說(shuō)明強(qiáng)化組對(duì)蛋白質(zhì)等有機(jī)氮分解能力明顯要強(qiáng)于對(duì)照組,這也是強(qiáng)化組的脫氮效果由于對(duì)照組的原因.

綜上所述,菌劑中的微生物投加到活性污泥后通過(guò)兩方面作用強(qiáng)化污泥減量,一是菌劑中乳桿菌屬和醋酸菌屬等功能微生物自身直接與污泥發(fā)生作用,強(qiáng)化了污泥水解酸化,減少污泥產(chǎn)量,二是通過(guò)分泌胞外物質(zhì)(如抗生素)直接作用或通過(guò)改變生存環(huán)境(如pH值)等方式間接作用,促進(jìn)或抑制反應(yīng)體系中其它微生物的生長(zhǎng),改變?cè)钚晕勰嘀械奈⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu),影響了污泥產(chǎn)量.

2.4 微生物強(qiáng)化對(duì)群落多樣性的影響

多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)是反映微生物群落變化的綜合量度,Siompson指數(shù)反映了群落內(nèi)微生物多樣性的概率,Shannon指數(shù)反映了群落多樣性的高低,Pielou指數(shù)反映了群落的均勻程度,三者均是指數(shù)越大,微生物分布越均勻,多樣性越高[24-26].圖3反映了科水平上的微生物群落多樣性變化,強(qiáng)化組厭氧區(qū)的Siompson指數(shù)隨著運(yùn)行天數(shù)增加而升高,由第3d的13.07升高到第21d的14.42,增加了10.33%,而對(duì)照組厭氧區(qū)的Siompson指數(shù)則是先降低后回升,到第21d變?yōu)?1.91,各個(gè)時(shí)期Siompson指數(shù)均是強(qiáng)化組高于對(duì)照組;好氧區(qū)Siompson指數(shù)則是強(qiáng)化組降低,對(duì)照組升高,強(qiáng)化組Siompson指數(shù)均低于對(duì)照組.強(qiáng)化組厭氧區(qū)Siompson指數(shù)升高是由于外加菌劑中多種外源微生物的加入增加了其微生物的種類,并改變了各微生物相對(duì)含量;而對(duì)照組Siompson指數(shù)降低則是因?yàn)轶w系中活性污泥取自羅芳污水廠好氧池,進(jìn)入中試裝置厭氧區(qū)后由于pH值、DO和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等生活條件的差異導(dǎo)致微生物群落發(fā)生小幅度調(diào)整,多樣性降低.好氧區(qū)Siompson指數(shù)變化規(guī)律相反,這是因?yàn)榫鷦┲械墓δ芪⑸锒嗍菂捬趸蚣嫘詤捬跷⑸?在好氧區(qū)難以大量增殖,對(duì)其多樣性影響甚微. Shannon指數(shù)變化規(guī)律與Siompson指數(shù)相似.厭氧區(qū)的Pielou指數(shù)變化規(guī)律與Siompson指數(shù)相似,而兩組好氧區(qū)Pielou指數(shù)波動(dòng)較小,無(wú)明顯差異.本試驗(yàn)微生物菌劑主要投加到厭氧區(qū),其有效微生物經(jīng)過(guò)適當(dāng)時(shí)間的增殖并與土著微生物充分作用,抑制了部分土著微生物的增殖,使得強(qiáng)化組厭氧區(qū)多樣性升高,由此改變微生物群落結(jié)構(gòu),增加了水解酸化菌的含量,并強(qiáng)化反應(yīng)器中活性污泥的水解酸化,從而達(dá)到污泥減量的目的.

2.5 微生物強(qiáng)化對(duì)群落演變的影響

通過(guò)聚類分析研究了厭氧區(qū)和好氧區(qū)不同時(shí)期的微生物群落相似性(圖4),發(fā)現(xiàn)活性污泥微生物群落在時(shí)間尺度上發(fā)生明顯的演變,第3d和第5d的樣品聚為一類,第10d和第21d的樣品聚為一類,特別的,第 21d強(qiáng)化組厭氧區(qū)獨(dú)成一類.空間尺度上強(qiáng)化組和對(duì)照組對(duì)比來(lái)看,其厭氧區(qū)變化差異明顯:第3d的強(qiáng)化組和對(duì)照組距離最近,相似性最高;對(duì)照組第10d和第21d位于中間一支,與對(duì)照組第3d相比形成一定分化,d3-Y2與d21-Y2的差異為0.035;強(qiáng)化組厭氧區(qū)第3,10, 21d分別位于3個(gè)不同支,距離最遠(yuǎn),差異最大, d3-Y1與d21-Y1的差異為0.13;第21d時(shí)強(qiáng)化組和對(duì)照組群落差異達(dá)到0.09.這說(shuō)明相對(duì)于對(duì)照組厭氧區(qū),強(qiáng)化組厭氧區(qū)落隨時(shí)間的推移發(fā)生了更為明顯的演變,而外源微生物強(qiáng)化正是這種群落變化的驅(qū)動(dòng)力.

對(duì)厭氧區(qū)和好氧區(qū)不同時(shí)期的微生物群落進(jìn)行了主坐標(biāo)分析,由圖5可知,強(qiáng)化組和對(duì)照組厭氧區(qū)的群落明顯分為2個(gè)區(qū)域,對(duì)照組群落沿著坐標(biāo)1方向演變,而強(qiáng)化組群落是沿著坐標(biāo)1和坐標(biāo)2對(duì)角線方向演變,并且強(qiáng)化組的演變梯度是對(duì)照組的近2倍.強(qiáng)化組和對(duì)照組污泥和進(jìn)水來(lái)源相同,中試運(yùn)行工況如DO、pH值、MLSS等均保持一致,有無(wú)菌劑投加是二者唯一的差異,因此可知微生物強(qiáng)化是強(qiáng)化組微生物群落沿著不同于對(duì)照組方向進(jìn)行演變的主要因素.對(duì)照組活性污泥由羅芳廠一期AA/O工藝好氧區(qū)引入到中試裝置后,該好氧污泥在對(duì)照組厭氧區(qū)由于DO等工藝參數(shù)的改變,其中微生物群落隨之發(fā)生演變,即DO的降低(由3~5mg/L降低為不足0.5mg/L)是微生物群落沿坐標(biāo)1方向的演變驅(qū)動(dòng)力.而微生物強(qiáng)化是微生物群落沿坐標(biāo)2方向的演變驅(qū)動(dòng)力,強(qiáng)化組微生物群落在2個(gè)驅(qū)動(dòng)力綜合作用沿坐標(biāo)1和坐標(biāo)2對(duì)角線方向演變,并且箭頭更靠近坐標(biāo)2,說(shuō)明微生物強(qiáng)化的驅(qū)動(dòng)作用更強(qiáng).兩組好氧區(qū)的微生物群落在坐標(biāo)1方向上演變較大,對(duì)照組在坐標(biāo)2方向上基本無(wú)變化,強(qiáng)化組在坐標(biāo)2方向上有小幅演變,這是因?yàn)槲⑸锞鷦┑挠行ЫM分是厭氧和兼性厭氧微生物,在好氧區(qū)無(wú)法大量繁殖,難以正常發(fā)揮作用.

選取水溫、pH值、DO和SCOD、TP、TN、氨氮、硝酸鹽氮8個(gè)指標(biāo),通過(guò)典范對(duì)應(yīng)分析(Canonical Correspondence Analysis, CCA)研究科水平上微生物群落演變的關(guān)鍵影響因子.F1和F2的特征值分別為0.056和0.033,其解釋率分別為48.12%和28.43%,總解釋率為76.55%.pH值是微生物群落演變的最關(guān)鍵影響因子,其次是水溫和DO,而SCOD、TP、TN、氨氮、硝酸鹽氮的影響相對(duì)微弱.pH值的影響最大,說(shuō)明外加菌劑的微生物強(qiáng)化通過(guò)影響強(qiáng)化組活性污泥pH值這一生存環(huán)境來(lái)改變期微生物群落演替方向,使得更多的水解酸化細(xì)菌在較低pH值環(huán)境中充分繁殖,強(qiáng)化了對(duì)活性污泥的水解酸化作用,達(dá)到污泥減量的目的.由于試驗(yàn)是在12月末到1月期間進(jìn)行,水溫波動(dòng)幅度較大(8.9~17.9℃),對(duì)微生物群落演變產(chǎn)生較大影響.厭氧區(qū)DO為0.05~ 0.13mg/L,好氧區(qū)DO為3.09~3.75mg/L,DO的影響主要體現(xiàn)在厭氧區(qū)和好氧區(qū)微生物群落差異上.

3 結(jié)論

3.1 微生物強(qiáng)化使A/O中試裝置的MLSS和MLVSS分別減少了26.26%和28.08%,有效減少了剩余污泥產(chǎn)量.強(qiáng)化組的SS、COD、BOD5、TN和氨氮等污染物的去除率增加,但總磷的去除率略微降低,出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

3.2 高通量測(cè)序?qū)钚晕勰辔⑸锶郝湓陂T、綱、目、科水平鑒定結(jié)果良好,屬水平上也有一定鑒定效率,種水平的鑒定效果較差.微生物菌劑主要成分是厚壁門的乳桿菌屬和醋酸桿菌屬,微生物強(qiáng)化使強(qiáng)化組活性污泥中厚壁門增加了2倍,乳桿菌屬和醋酸菌屬在活性污泥中屬于低含量菌屬,二者在對(duì)照組中含量基本不變,在強(qiáng)化組含量明顯上升.

3.3 微生物強(qiáng)化使強(qiáng)化組厭氧區(qū)Siompson指數(shù)、Shannon指數(shù)和Pielou指數(shù)均不同程度升高,群落多樣性增加.聚類分析顯示微生物群落按時(shí)間順序明顯聚為3簇,強(qiáng)化組厭氧區(qū)微生物群落隨時(shí)間發(fā)生較大演變.主坐標(biāo)分析顯示強(qiáng)化組和對(duì)照組群落明顯聚為2類,其厭氧區(qū)群落分別按照不同的方向演變,微生物強(qiáng)化和DO降低的協(xié)同作用是其演變的推動(dòng)力.典范對(duì)應(yīng)分析顯示顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子依次為pH值、水溫和DO.

3.4 微生物強(qiáng)化使得活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,菌劑通過(guò)直接與污泥作用強(qiáng)化污泥水解酸化,或通過(guò)改變生存環(huán)境(如pH值)等方式間接作用,促進(jìn)或抑制反應(yīng)體系中其它微生物的生長(zhǎng),改變?cè)钚晕勰嘀械奈⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu),減少污泥產(chǎn)量.

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* 責(zé)任作者, 教授, zhangjinsong@waterchina.com

Analysis of microbial community in in-situ sludge reduction process by bioaugmentation using high-throughput sequencing technology

SONG Yun-long1, ZHANG Jin-song1*, ZHU Jia2, SHAO Ming-fei1, DENG Ren-jian1

(1.School of Civil and Environment Engineering, Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China；2.School of Civil and Environmental Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, China). China Environmental Science, 2016,36(7)：2099~2107

High-throughput sequencing was used to parse the microbial community of activated sludge in an in-situ sludge reduction process. Microbial community structure shifted dramatically as the result of bioaugmentation. The abundance of and increased significantly in bioaugmentation group. Community diversity indices including Simpson index, Shannon index and Pielou index rised at different degrees in anaerobic zone of bioaugmentation group. Cluster analysis indicated that microbial communities were obviously grouped into three clusters in chronological order. In anaerobic zone of bioaugmentation group, the community structure shifted more obviously over time. Through principal coordinate analysis, communities of bioaugmentation group and control group were grouped into two distinct areas. Synergistic efforts of bioaugmentation and DO reduction were the driving forces of community shift in bioaugmentation group, while DO reduction was the driving force in control group. Canonical correspondence analysis showed that pH, water temperature and DO were the dominant environmental factors, which affected the microbial community structure significantly.

high-throughput sequencing；bioaugmentation；hydrolytic acidification；microbial community analysis

X172

A

1000-6923(2016)07-2099-09

宋云龍(1983-),男,山東威海人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事污泥減量及其資源化利用的研究.

2015-11-06

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2009AA064704)