苯酚反硝化降解特征分析

王孝維， 韓鈺潔， 岳秀萍

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

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苯酚反硝化降解特征分析

王孝維， 韓鈺潔， 岳秀萍

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

苯酚； 反硝化； 亞硝酸鹽積累； 氧化還原電位； 菌群結(jié)構(gòu)

苯酚是煉焦、 煉油、 造紙等工業(yè)廢水的主要污染物， 具有強(qiáng)致癌性. 苯酚降解主要方法有生物降解、 活性炭吸附、 萃取、 化學(xué)氧化等. 厭氧生物降解有低成本、 高效率、 運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用. 已發(fā)現(xiàn)苯酚厭氧降解微生物主要分為四類： 產(chǎn)甲烷聚生體細(xì)菌、 硫酸鹽還原細(xì)菌、 反硝化細(xì)菌及金屬還原細(xì)菌[1]， 其中尤以反硝化細(xì)菌降解效果最為突出， 并對(duì)高酚高氮類工業(yè)廢水， 如焦化廢水， 具有極高的應(yīng)用價(jià)值. 李本玉、 孔惠等研究了苯在缺氧反硝化條件下的生物降解性能， 結(jié)果表明苯可以作為反硝化碳源進(jìn)行生物降解[2-3]； 王文燕、 全向春、 李曉波等分別研究了厭氧濾池(AF)、 上流式厭氧污泥床 (UASB)反應(yīng)器、 連續(xù)流亞硝化反應(yīng)器在反硝化條件下對(duì)芳香族化合物廢水的處理效果及運(yùn)行參數(shù)[4-6]. 吳曉琴、 張玉秀、 黃丹等分別篩選了紅球菌、 Shewanella sp.XB等高效苯系降解菌并對(duì)其特性進(jìn)行了研究分析[7-9]. 目前， 反硝化去除苯酚研究主要集中在運(yùn)行效率和反硝化菌種篩選分離等方向， 對(duì)苯酚反硝化條件下降解特征， 過(guò)程控制條件， 微生物群落分析有待進(jìn)一步深入. 本文以苯酚為唯一碳源， 考察研究了： ① 反硝化過(guò)程中苯酚降解動(dòng)力學(xué)特征； ② 苯酚反硝化過(guò)程pH和ORP的變化規(guī)律； ③ 利用PCR-DGGE技術(shù)分析苯酚反硝化體系菌群結(jié)構(gòu).

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)及接種污泥

接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室處理焦化廢水的厭氧復(fù)合床(UBF)反應(yīng)器反硝化污泥.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及分析方法

取反硝化污泥0.3 L置入實(shí)驗(yàn)裝置中， 如圖 1 所示， 實(shí)驗(yàn)溫度維持30 ℃左右， 投加NaHCO3保持pH在7.5左右. 對(duì)污泥曝氣， 清洗去除殘留雜質(zhì)， 并吹入N2， 使實(shí)驗(yàn)裝置ORP降低至-100 mV 以下， 迅速加入1.2 L配水， 污泥濃度為5.3 g/L. 每隔15～30 min取樣一次， pH和ORP在線連續(xù)測(cè)定.

圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

1.3 反硝化菌群的PCR-DGGE分析

從實(shí)驗(yàn)裝置取污泥樣本， 以12 000 r/min離心5 min， 取上清液不少于0.5 g， 采用K-CTAB法對(duì)DNA提純[11]， PCR(Polymerase Chain Reaction)擴(kuò)增引物采用16SrRNA對(duì)應(yīng)通用引物338F-534R[12]， PCR擴(kuò)增反應(yīng)液采用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后， 對(duì)目標(biāo)片段進(jìn)行回收， 并溶解于滅菌的Milli-Q水進(jìn)行DGGE(Denaturing Gradient Gel Electro-phoresis)分析. 擴(kuò)增反應(yīng)液送交生物公司(Biogenro， 北京)DNA測(cè)序.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 苯酚反硝化降解動(dòng)力學(xué)特征

圖 2 苯酚、 硝酸鹽及pH， ORP變化規(guī)律Fig.

圖 3 苯酚降解速率擬合Fig.

2.2 pH和ORP變化規(guī)律

圖 4 苯酚厭氧降解途徑Fig.4 Phenol anaerobic degradation pathway

2.3 苯酚反硝化降解菌群分析

DGGE凝膠圖譜上共有19條明顯的條帶， NCBI測(cè)序比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表 1， 菌綱相對(duì)豐度見(jiàn)圖 5.

表 1 NCBI測(cè)序比對(duì)分析結(jié)果

圖 5 菌綱相對(duì)豐度分析Fig.5 Class of bacteria relative abundance analysis

苯酚反硝化體中已測(cè)菌種主要屬于4個(gè)菌綱， Alphaproteobacteria， Gammaprotobacteria ， Betaproteobacteria為變形菌門， Bacteroidetes為擬桿菌門. 變形菌門是缺氧、 厭氧反應(yīng)中常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)類群[19]， 該類細(xì)菌在降解污染物的過(guò)程中發(fā)揮著十分重要的代謝功能. 擬桿菌門可在活性污泥大量檢出， 該菌門是污水生物處理細(xì)菌菌群的重要組成部分[20].

系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)菌種為Pseudomonas baetica和Stenotrophomonas sp.. Pseudomonas baetica為假單胞桿菌， 與Thermomonas sp.是主要的反硝化菌[21]. Stenotrophomonas sp.是寡養(yǎng)單胞菌， 有報(bào)道顯示對(duì)六氯環(huán)己烷(HCH)和有機(jī)磷、 酚氰類有機(jī)物有降解功能[22]. 系統(tǒng)中檢出的Altererythrobacter sp.和Bacteroides sp.具有降解多環(huán)芳烴的功能[23].

3 結(jié) 論

3) 反硝化降解苯酚的細(xì)菌菌綱主要以Alphaproteobacteria， Gammaprotobacteria ， Betaproteobacteria變形菌門和Bacteroidetes擬桿菌門為主； 檢出了Altererythrobacter sp.， Bacteroides sp. ， Pseudomonas baetica, Thermomonas sp.等苯酚、 硝酸鹽有效降解菌.

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Degradation Characteristics Analysis of Phenol During Denitrification

WANG Xiao-wei， HAN Yu-jie， YUE Xiu-ping

(College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

phenol; denitrification; nitrite accumulation; ORP; bacterial community structure

1673-3193(2016)06-0620-05

2016-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378330)

王孝維(1976-)， 男， 講師， 博士生， 主要從事水污染控制研究.

岳秀萍(1963-)， 女， 教授， 博導(dǎo)， 主要從事水污染控制研究.

X703

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.012