缺氧/好氧時間變化對SBBR處理海水養(yǎng)殖廢水過程中胞外聚合物特性的影響?

趙 堃， 王 哲， 王 森， 鄭 棟， 王雪礁， 高孟春??

(1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

缺氧/好氧時間變化對SBBR處理海水養(yǎng)殖廢水過程中胞外聚合物特性的影響?

趙 堃1,2， 王 哲1,2， 王 森1， 鄭 棟1， 王雪礁1， 高孟春1,2??

(1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

本文系統(tǒng)地評價了缺氧時間/好氧時間變化對處理海水養(yǎng)殖廢水的序批式生物膜反應器(SBBR)中胞外聚合物(EPS)特性的影響。研究結(jié)果表明，在SBBR運行過程中好氧時間的縮短能抑制生物膜中微生物分泌EPS，從而導致松散附著EPS(LB-EPS)和緊密附著EPS(TB-EPS)中蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)含量隨著好氧時間的縮短而降低。隨著缺氧時間/好氧時間的變化，LB-EPS和TB-EPS的三維熒光(3D-EEM)光譜中代表不同化學組分的熒光峰位置發(fā)生了移動,熒光峰強度也發(fā)生了變化，部分熒光峰在缺氧時間/好氧時間為9.5 h/0.5 h和8 h/1 h時消失。LB-EPS和TB-EPS的傅里葉紅外(FTIR)光譜中不同吸收峰的強度隨著缺氧時間/好氧時間變化而變化，好氧時間的縮短對生物膜中LB-EPS和TB-EPS的PN和PS中官能團有明顯的影響。

缺氧時間；好氧時間；序批式生物膜反應器；海水養(yǎng)殖廢水；胞外聚合物

在生物法處理海水養(yǎng)殖廢水的過程中活性污泥或生物膜中微生物分泌的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,簡稱EPS)能夠影響反應器內(nèi)微生物聚集體的特性，對活性污泥或生物膜的絮凝、沉降和脫水性能起關鍵作用[8-10]。EPS的化學成分比較復雜，主要包括蛋白質(zhì)、糖類、核酸、脂類、腐殖酸以及一些無機組分。其中，EPS中蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)是主要組分，約占總量的70%～80%[11]。在廢水生物處理工藝中EPS產(chǎn)量和組分與進水水質(zhì)、污染物負荷、運行模式、溶解氧狀態(tài)、有毒物質(zhì)存在和環(huán)境溫度是密切相關的[12-15]。為了有效地去除海水養(yǎng)殖廢水中氮化合物，生物處理工藝中硝化過程和反硝化過程分別在好氧條件和厭氧(或缺氧)條件下進行。好氧/缺氧時間的變化能夠影響生物處理工藝內(nèi)微生物群落的活性，從而影響微生物分泌EPS的量和組分。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)有關缺氧時間/好氧時間變化對SBBR處理海水養(yǎng)殖廢水過程中胞外聚合物特性影響的相關報道。因此，本文研究了缺氧/好氧時間變化對生物膜中緊密附著EPS(TB-EPS)和松散附著EPS(TB-EPS)中PN和PS含量的影響，通過三維熒光光譜(3D-EEM)和傅里葉紅外光譜(FTIR)分析LB-EPS和TB-EPS化學組成的變化。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

裝有懸掛式組合填料的SBBR由有機玻璃柱制成，高度和直徑分別為550和350 mm。組合式填料由醛化纖維壓于雙圈塑料環(huán)上，使纖維呈雪花狀分布，可有效進行氣體切割，提高氧轉(zhuǎn)移效率。填料直徑是150 mm，塑料環(huán)之間距離為100 mm，反應器內(nèi)放置4片填料。進水通過蠕動泵進入SBBR，排水由電磁閥控制，采用重力排水，容積交換率為50%。好氧階段通過電磁式空氣壓縮機由反應器底部砂芯曝氣頭曝氣，維持溶解氧在2 mg/L以上。缺氧階段通過磁力攪拌器使混合液與生物膜接觸。進水、曝氣、攪拌、沉淀和排水通過時間繼電器實現(xiàn)自動控制。在SBBR運行過程中，缺氧階段的DO低于0.5 mg/L，好氧階段的DO高于2 mg/L。在本研究中SBBR的缺氧時間/好氧時間變化情況如表1所示。

表1 不同運行階段的運行參數(shù)Table 1 Operation parameters of different operational stage

1.2 接種污泥和進水水質(zhì)

1.3 常規(guī)指標分析方法

1.4 胞外聚合物提取和分析方法

1.4.1 胞外聚合物提取和測定 胞外聚合物(EPS)在細胞外的分布呈現(xiàn)為具有流變性的雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層稱為緊密附著EPS(TB-EPS)，外層稱為松散附著EPS(LB-EPS)。依據(jù)Li和Yang[10]的方法適當修改后提取LB-EPS和TB-EPS。具體步驟如下：取反應器中生物膜樣品40 mL，將其在6 000 r/min下離心5 min，棄去上清夜，得到濃縮的生物膜樣品；用預熱到70 ℃的NaCl溶液(鹽度為3%)稀釋至40 mL，蓋緊蓋子并快速振蕩1 min；將提取后的混合液于6 000 r/min離心10 min；收集上清液，即為LB-EPS。用鹽度為3%NaCl溶液稀釋至40 mL，60 ℃水浴30min后6 000 r/min離心15 min，收集上清液，即為TB-EPS。

上清液經(jīng)過0.45 μm醋酸纖維素膜過濾后分析LB-EPS和TB-EPS中蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)含量，PN含量采用Folin酚法測定[17]，PS含量采用蒽酮比色法測定[18]。

1.4.2三維熒光光譜分析 LB-EPS和TB-EPS三維熒光光譜(3D-EEM)采用熒光分光光度計(F-4600，Hitachi，日本)測定。激發(fā)波長(Ex)范圍200～400 nm，掃描間隔5 nm；發(fā)射波長(Em)范圍200～500 nm，掃描間隔5 nm；激發(fā)光和發(fā)射光的狹縫均為10 nm，掃描速度為1 200 nm/min。采用Origin 8.1軟件繪制光譜圖。

1.4.3傅里葉變換紅外光譜分析 LB-EPS和TB-EPS紅外光譜(FTIR)采用傅里葉變換紅外光譜儀(Tensor 27，Bruker Optics，德國)測定，LB-EPS和TB-EPS提取液經(jīng)過冷凍干燥處理后與光譜純KBr按照1∶100研磨混合，并于一定壓力下保持若干分鐘制成半透明薄片，在400～4 000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)掃描，檢測器分辨率為4 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 缺氧時間/好氧時間變化對SBBR性能的影響

表2 缺氧時間/好氧時間變化對SBBR處理海水養(yǎng)殖廢水性能的影響Table 2 Effect of anoxic time/aerobic time on the performance of SBBR treating mariculture wastewater

2.2 缺氧時間/好氧時間變化對生物膜中LB-EPS和TB-EPS主要組分的影響

圖1表示缺氧時間/好氧時間變化對生物膜中LB-EPS和TB-EPS的PN和PS含量影響。

圖1 缺氧時間/好氧時間變化對生物膜中LB-EPS和TB-EPS的PN和PS含量影響

在缺氧時間和好氧時間之和為10 h情況下，當好氧時間從3 h逐漸縮短到0.5 h時，生物膜中LB-EPS的PN含量從10.26 mg·g-1MLVSS逐漸降低到5.57 mg·g-1MLVSS，生物膜中LB-EPS的PS含量從6.93 mg·g-1MLVSS逐漸降低到2.84 mg·g-1MLVSS。同樣地，生物膜中TB-EPS的PN含量從12.20 mg·g-1MLVSS逐漸降低到6.79 mg·g-1MLVSS，TB-EPS中PS含量從9.32 mg·g-1MLVSS逐漸降低到4.07 mg·g-1MLVSS。這些研究結(jié)果表明，在SBBR一個運行周期中好氧時間的增加能夠促進生物膜中微生物對LB-EPS和TB-EPS的分泌量。為了進一步驗證上述研究結(jié)果，本研究中將SBBR缺氧時間/好氧時間又依次變?yōu)?h/1h和7h/1h。由圖1可知，缺氧時間/好氧時間為7h/1h時生物膜中LB-EPS(或TB-EPS)中PN和PS含量均高于缺氧時間/好氧時間為8h/1h時生物膜的LB-EPS(或TB-EPS)中PN和PS含量，也很好地說明了好氧時間的延長有利于生物膜中微生物分泌EPS。

2.3 缺氧時間/好氧時間變化對LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM光譜影響

為了考察缺氧時間/好氧時間變化對LB-EPS和TB-EPS化學組成的影響，考察了缺氧時間/好氧時間分別為7 h/3 h、9.5 h/0.5 h、8 h/1 h和7 h/1 h時EPS的3D-EEM熒光光譜變化情況(見圖2)。在3D-EEM光譜中，X軸和Y軸分別代表發(fā)射光譜(Em)和激發(fā)光譜(Ex)，熒光峰的位置通過Em/Ex來表示。每個3D-EEM熒光光譜峰能夠表征LB-EPS和TB-EPS的化學組成。由圖2可知，LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM熒光光譜中出現(xiàn)了熒光峰A(275～280/330～345 nm)、熒光峰B(220～230/330～345 nm)、C(270～275/440～465 nm)和D(310～360/370～450 nm)。根據(jù)以往的文獻報道[19-21]，熒光峰A、B、C和D分別與色氨酸蛋白類物質(zhì)、芳環(huán)蛋白類物質(zhì)、胡敏酸類物質(zhì)和富里酸類物質(zhì)有關。在缺氧時間/好氧時間為7 h/3 h時LB-EPS的3D-EEM熒光光譜中出現(xiàn)了熒光峰A、B、C和D，熒光峰C在缺氧時間/好氧時間為9.5 h/0.5 h時在LB-EPS的3D-EEM熒光光譜中消失，熒光峰B和D未出現(xiàn)在缺氧時間/好氧時間為8 h/1 h和7 h/1 h時LB-EPS的3D-EEM熒光光譜。生物膜中TB-EPS的3D-EEM熒光光譜在不同缺氧時間/好氧時間時均僅出現(xiàn)了熒光峰A和B，未發(fā)現(xiàn)熒光峰消失或新熒光峰出現(xiàn)。

表3表示缺氧時間/好氧時間變化對生物膜中LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM熒光光譜中不同熒光峰位置和熒光強度的影響。熒光峰的位置沿著Ex軸(或Em軸)增長(稱為紅移)或減少(稱為藍移)。與缺氧時間/好氧時間為7 h/3 h時相比，缺氧時間/好氧時間為9.5 h/0.5 h、8 h/1 h和和7 h/1 h時熒光峰A的位置在LB-EPS、TB-EPS的3D-EEM熒光光譜均沿著Em軸紅移了10 nm。LB-EPS的熒光峰B在缺氧時間/好氧時間為9.5 h/0.5 h和8 h/1 h時分別沿Ex/Em軸藍移/紅移了10 nm/10 nm，在缺氧時間/好氧時間為7 h/1 h時LB-EPS的熒光峰B沿著Ex軸藍移了10 nm。缺氧時間/好氧時間為9.5 h/0.5 h和8 h/1 h

((a)LB-EPS (7h/3h); (b)TB-EPS (7h/3h); (c)LB-EPS (9.5 h/0.5 h); (d)TB-EPS (9.5 h/0.5 h); (e)LB-EPS (8 h/1 h); (f)TB-EPS (8 h/1 h); (g)LB-EPS (7 h/1 h); (h)TB-EPS (7 h/1 h).)

表3 不同缺氧時間/好氧時間下LB-EPS和TB-EPS的熒光峰位置和強度Table 3 Fluorescence peak location and intensity of LB-EPS and TB-EPS at different anoxic time/aerobic time

時熒光峰B在TB-EPS的3D-EEM熒光光譜中均未發(fā)生位移，但在缺氧時間/好氧時間為7 h/1 h時熒光峰B在在TB-EPS的3D-EEM熒光光譜沿著Em軸紅移了10 nm。熒光峰D的位置在缺氧時間/好氧時間為9.5 h/0.5 h時沿著Ex軸藍移了10 nm。由表3可知，熒光峰A、B、C和D的強度在不同缺氧時間/好氧時間時或增大或降低。熒光峰的紅移與熒光基團中羰基、羧基、羥基和胺基的增加有關[19]，藍移與芳香環(huán)的減少有關[22-23]。

2.4 缺氧時間/好氧時間變化對生物膜中LB-EPS和TB-EPS的FTIR光譜影響

為了評價缺氧時間/好氧時間變化對生物膜的LB-EPS和TB-EPS中PN和PS的官能團影響，分別考察了缺氧時間/好氧時間為7 h/3 h、8 h/2 h、9.5 h/0.5 h、8 h/1 h和7 h/1 h時生物膜中LB-EPS和TB-EPS的FTIR光譜變化情況(見圖3)。3 415 cm-1處的寬吸收峰是與來自多糖類化合物中羥基和來自蛋白質(zhì)中氨基的伸縮振動導致[24]。1 637 cm-1附近的吸收峰是與蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中β-sheets的C=O伸縮振動相關[25-26]。1 402 cm-1附近吸收峰是甲基中C—H鍵振動產(chǎn)生的[27]，1 137 cm-1附近吸收峰是多糖類化合物和芳香族化合物中C—O鍵的伸縮振動導致[28]。615 cm-1附近屬于指紋區(qū)，表明樣品中存在著不飽和鍵[29]。在LB-EPS和TB-EPS的FTIR光譜中3 415、1 637和1 137 cm-1處均有明顯的吸收峰存在，進一步說明了表明LB-EPS和TB-EPS中蛋白質(zhì)類和多糖類化合物的存在。在不同的缺氧時間/好氧時間下，LB-EPS和TB-EPS的FTIR光譜是相似的，但是每個峰的相對強度卻表現(xiàn)出不同的變化。在缺氧時間和好氧時間之和為10 h情況下，當好氧時間從3 h逐漸縮短到0.5 h時，3 415和1 637 cm-1處吸收峰的相對強度在LB-EPS和TB-EPS的FTIR光譜中均逐漸降低。與缺氧時間/好氧時間為8 h/1 h時相比，LB-EPS中3 415和1 637 cm-1處吸收峰的相對強度在缺氧時間和好氧時間為7 h/1 h時變強，但該兩吸收峰的相對強度在LB-EPS傅里葉紅外光譜中變化不大。1 402和1 137 cm-1附近吸收峰的相對強度在不同缺氧時間和好氧時間下或增強或變?nèi)酢Ｑ芯拷Y(jié)果表明，缺氧時間/好氧時間變化對生物膜的LB-EPS中蛋白質(zhì)和TB-EPS中多糖的官能團有更明顯的影響。

((I) 7 h/3 h; (II) 8h/2h; (III) 9 h/ 1h; (IV) 9.5 h/0.5 h; (V) 8 h/1 h; (VI) 7 h/1 h.)圖3 不同缺氧時間/好氧時間下生物膜中LB-EPS (a)和TB-EPS (b)的FTIR光譜

3 結(jié)論

(1)在好氧時間和缺氧時間之和為定值的情況下，好氧時間的縮短使LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量降低，不利于SBBR內(nèi)生物膜中微生物分泌更多的EPS。

(2)在LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM熒光光譜中代表不同化學組成的熒光峰在不同缺氧時間/好氧時間下部分消失，或者熒光峰位置發(fā)生了紅移或藍移，表明缺氧時間/好氧時間變化能夠影響LB-EPS和TB-EPS的化學組成。

(3)LB-EPS和TB-EPS的FTIR光譜中不同吸收峰的強度隨著缺氧時間/好氧時間變化而變化,說明好氧時間的縮短對LB-EPS和TB-EPS中PN和PS的官能團有明顯的影響。

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責任編輯 龐 旻

Effects of Anoxic Time/Aerobic Time on the Characterization of Extracellular Polymeric Substances from a SBBR Treating Mariculture Wastewater

ZHAO Kun1,2, WANG Zhe1,2, WANG Sen1, ZHENG Dong1, WANG Xue-Jiao1, GAO Meng-Chun1,2

(1.Tle Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The effects of anoxic time/aerobic time on the characterization of extracellular polymeric substances (EPS) from the biofilm were evaluated in a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) treating mariculture wastewater. The decrease of aerobic time during the SBBR operation could inhibit the EPS secretion of organisms in the biofilm, which could result in the decrease of protein (PN) and polysaccharide (PS) content in the LB-EPS and TB-EPS with the decrease of aerobic time. The locations of the fluorescence peaks representing different chemical compositions of LB-EPS and TB-EPS showed some shifts in three-dimensional excitation-emission matrix (3D-EEM) fluorescence spectra with the variation of anoxic time/aerobic time, and the intensity of fluorescence peaks also varied at different operational stages. Some fluorescence peaks disappeared at the anoxic time/aerobic time of 9.5h/0.5h and 8h/1h. The intensities of different absorption peaks varied with the variation of anoxic time/aerobic time, which suggested that the decrease of aerobic time could obviously affect the functional groups of PN and PS in the LB-EPS and TB-EPS.

Anoxic time; aerobic time; sequencing batch biofilm reactor; mariculture wastewater; extracellular polymeric substances

國家自然科學基金項目(51178437)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (51178437)

2016-04-15；

2016-05-27

趙 堃(1985-)，男，博士生。E-mail：dragoon83123@163.com

?? 通訊作者：E-mail：mengchun@ouc.edu.cn

X171

A

1672-5174(2017)05-034-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160129

趙堃， 王哲， 王森, 等. 缺氧/好氧時間變化對SBBR處理海水養(yǎng)殖廢水過程中胞外聚合物特性的影響[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2017, 47(5): 34-41.

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