胞外聚合物和信號分子對厭氧氨氧化污泥活性的影響

張亞超,張 晶,侯愛月,周榮煊,梁東博,張 凱,劉 陽,李 軍*

胞外聚合物和信號分子對厭氧氨氧化污泥活性的影響

張亞超1,張 晶1,侯愛月2,周榮煊1,梁東博1,張 凱1,劉 陽1,李 軍1*

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124；2.中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計(jì)公司,北京 100825)

為了探究胞外聚合物(EPS)對厭氧氨氧化顆粒污泥活性的影響,分別向厭氧氨氧化顆粒污泥中投加30mg/L的總胞外聚合物(IN-EPS),松散結(jié)合型胞外聚合物(LB-EPS)和緊密結(jié)合型胞外聚合物(TB-EPS).結(jié)果表明,3種EPS均可提高厭氧氨氧化顆粒污泥的活性.對于添加了IN-EPS,LB-EPS和TB-EPS的實(shí)驗(yàn)組,厭氧氨氧化顆粒污泥的氨氮去除速率分別增加了6.68%,10.5%和19.29%,厭氧氨氧化菌的生長速率分別增加了18.25%,21%,16.3%. 三維熒光光譜法分析發(fā)現(xiàn)3種EPS的組成基本相同,以芳香族蛋白質(zhì)和可溶性微生物產(chǎn)物為主.對EPS中的高絲氨酸內(nèi)酯類(AHLs)信號分子進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)EPS中含有3種信號分子,分別是C4-HSL,C6-HSL和C10-HSL,外源投加這3種AHLs到厭氧氨氧化顆粒污泥中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)C4-HSL和C6-HSL可以提高厭氧氨氧化顆粒污泥的活性和生長速率,這是EPS可以提高厭氧氨氧化菌活性的原因.

厭氧氨氧化；胞外聚合物；高絲氨酸內(nèi)酯類信號分子

在厭氧氨氧化過程中,NH4+-N作為電子供體被氧化,NO2--N作為電子受體被還原,可節(jié)省63%的耗氧量和100%的外加有機(jī)碳源,以及80%~90%的污泥產(chǎn)生[1-2],可使脫氮成本大大降低.厭氧氨氧化工藝作為一種應(yīng)用前景廣闊的生物脫氮技術(shù),已經(jīng)吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.

許多學(xué)者通過添加催化劑來提高厭氧氨氧化細(xì)菌的活性.并且發(fā)現(xiàn)在厭氧氨氧化細(xì)菌活性提高(文字接排)的過程中,EPS的含量也在逐步增加[3-4].但是關(guān)于EPS的研究多集中于EPS對厭氧氨氧化污泥絮凝能力和表面特性的影響,關(guān)于EPS對厭氧氨氧化污泥活性的影響的研究仍然較少.EPS是一種由細(xì)胞分泌,位于細(xì)胞外的高分子聚合物,對于污泥性能有著重要影響[5],根據(jù)EPS的分離難度,可以將其分為溶解性EPS(S-EPS)和結(jié)合型EPS(B-EPS),而B-EPS又可以進(jìn)一步被分為松散結(jié)合型EPS (LB-EPS)和緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)[6].Guo等[5]發(fā)現(xiàn),同時(shí)接種反硝化污泥(DS)和厭氧氨氧化污泥的反應(yīng)器可以快速啟動,原因是DS-EPS對厭氧氨氧化污泥的活性有促進(jìn)作用,但EPS中促進(jìn)厭氧氨氧化污泥活性的有效成分,以及具體的促進(jìn)機(jī)制尚不明確[7].

EPS的分泌受到AHLs類信號分子的影響[8], AHLs類信號分子是由革蘭氏陰性菌分泌的一種信號分子,合成后擴(kuò)散轉(zhuǎn)移至細(xì)胞外并進(jìn)行積累,當(dāng)環(huán)境中的AHLs濃度積累到一定閾值時(shí),會再次進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)[9-12],從而對菌群的生態(tài)關(guān)系和生理行為進(jìn)行調(diào)控,表現(xiàn)出單個(gè)細(xì)菌無法表現(xiàn)出的生理功能和調(diào)節(jié)機(jī)制[13].AHLs對厭氧氨氧化細(xì)菌的調(diào)控會間接地影響反應(yīng)器的脫氮性能和污泥性質(zhì)[8].研究[14-15]發(fā)現(xiàn)AHLs可以提高厭氧氨氧化菌的活性.但具體調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚[16].

EPS存在于生物聚集體的內(nèi)部及表面,而且AHLs和EPS的提取方法相似[17],因此推測EPS中可能含有AHLs,添加EPS有可能會提高厭氧氨氧化菌的活性.目前關(guān)于各類EPS的研究多集中于PN和PS的含量以及PN/PS對厭氧氨氧化污泥沉降性能的影響.本研究探究了EPS對污泥活性的影響,并對EPS中AHLs種類和濃度,以及AHLs對污泥活性的影響進(jìn)行了探究.

據(jù)此,本研究從厭氧氨氧化顆粒污泥中分別提取IN-EPS,LB-EPS和TB-EPS,通過批次實(shí)驗(yàn)探究了3種EPS對厭氧氨氧化顆粒污泥活性的影響.并通過三維熒光光譜法測試定了EPS的組成,通過氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定了3種EPS中AHLs的種類和濃度,探究了EPS對厭氧氨氧化污泥活性的影響機(jī)理.本研究為提高厭氧氨氧化污泥活性提供了一個(gè)新的思路,為厭氧氨氧化工藝的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論支持.

1 材料與方法

1.1 EPS和AHLs的提取方法

用于提取EPS和AHLs的厭氧氨氧化顆粒污泥取自已穩(wěn)定運(yùn)行1a的UASB反應(yīng)器.目前對于EPS的分類,最普遍的是根據(jù)提取方法和和分離的難易程度,采用加熱法[18]提取厭氧氨氧化污泥胞外聚合物,稱為總胞外聚合物IN-EPS.LB-EPS和TB-EPS的提取方法參考[19].因?yàn)樘崛》椒ǖ牟煌?IN-EPS并不等于LB-EPS和TB-EPS的簡單加和,因此分別分析3種EPS對厭氧氨氧化顆粒污泥活性的影響.

信號分子的提取方法.從EPS中提取:將提取到的EPS用0.22μm的微孔濾膜再次過濾,將獲得的濾液用等體積的乙酸乙酯進(jìn)行萃取,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮,RE-52A)將萃取之后的乙酸乙酯在40℃的條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),用1.5mL甲醇重新溶解溶劑提取物,保存在-20°C的條件下等待分析.分別從厭氧氨氧化菌和上清液中提取AHLs,提取方法參考文獻(xiàn)[16].

1.2 批次實(shí)驗(yàn)

批次實(shí)驗(yàn)在500mL的血清瓶中進(jìn)行,血清瓶表面進(jìn)行避光處理以防止光和細(xì)菌的生長.向血清瓶中添加微量元素,礦物質(zhì)和合成廢水(NH4+-N濃度為80mg/L-NO2--N與NH4+-N的濃度比為1.32),用1mol/L的HCl和NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值為7.5.將25g厭氧氨氧化顆粒污泥用緩沖溶液(1.3mmol/ LNa3PO4, 2.7mmol/L NaH2PO4, 6mmol/L NaCl, 0.7mmol/L KCl;pH=7)清洗3次之后加入到血清瓶中,血清瓶中厭氧氨氧化顆粒污泥的SS和VSS分別為3.735g/L和2.241g/L.投加EPS前,將厭氧氨氧化顆粒污泥進(jìn)行為期3d的培養(yǎng),活性穩(wěn)定后再進(jìn)行EPS的投加. EPS的總量用PN,PS和DNA的總和來表征[20].

將實(shí)驗(yàn)分為對照組,IN-EPS組,LB-EPS組和TB-EPS組.除此之外,為了排除EPS對基質(zhì)的降解作用,將3種EPS分別投加到只含有合成廢水的血清瓶中,不添加厭氧氨氧化污泥.將不同體積的EPS加入到血清瓶中,使血清瓶中的EPS濃度均為30mg/L,添加EPS濃度為0mg/L的為對照組.合成廢水中的NH4+-N和NO2--N消耗完全為一個(gè)周期,在每個(gè)周期的開始(0)和結(jié)束時(shí)(1)測量厭氧氨氧化顆粒污泥的VSS,用來計(jì)算比生長速率:

=(1-0)/(0×)

表1 AHLs的氣質(zhì)聯(lián)用分析條件

用膠塞塞緊瓶口,氮?dú)獯得?0min以保證缺氧環(huán)境,將所有的血清瓶放置于恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)3d,溫度為35℃,轉(zhuǎn)速為110r/min每2h用注射器取樣一次,過濾后測定NH4+-N, NO2--N, NO3--N濃度.外源投加AHLs的試驗(yàn)中,C4-HSL,C6-HSL和C10-HSL的投加濃度均為1mg/L,其他步驟與外源投加EPS的步驟相同.每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值.

1.3 分析方法

1.3.1 氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(GC-MS)分析信號分子 信號分子的分析采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS QP2010,日本島津),GC-MS由氣相色譜(GS)和質(zhì)譜檢測器(MS)兩部分組成,該技術(shù)利用氣相色譜的分離能力讓混合物中的組分分離,并用質(zhì)譜鑒定分離出來的組分(定性分析)及精確的量(定量分析).具體分析分析方法為:柱子:DB-5MS (Thermo1Scientific,30m0.25mm0.25μm),進(jìn)樣口250 ℃,載體為高純氦氣,流量為1.5mL/min,分流比為10.升溫程序:120℃保持2min,以10℃/min升至300 ℃保持3min.離子源220℃,接口280℃,選擇離子掃描,定量離子均為143.

在總離子流圖(TIC)中,不同的保留時(shí)間對應(yīng)的峰位表示不同物質(zhì),峰面積表示對應(yīng)物質(zhì)的含量.各種信號分子的峰位對應(yīng)的保留時(shí)間如表1所示.

表2 不同峰位表示的熒光有機(jī)物

1.3.2 三維熒光光譜分析(3D-EEM)胞外聚合物 3D-EEM檢測采用熒光光譜儀(F-700,日本日立),設(shè)置激發(fā)波長(x)為200~400nm,每次增加5nm,發(fā)射波長(m)為240~600nm,波長增幅間隔2nm,激發(fā)光和發(fā)射光的狹縫寬度為5nm,掃描速度為1200nm/ min. 同等條件下,以超純水為空樣品,消除拉曼散射及背景噪音.利用EEM對EPS進(jìn)行掃描,主要產(chǎn)生5個(gè)熒光生色團(tuán):芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ類(Aromatic ProteinⅠ),芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ類(Aromatic ProteinⅡ),富里酸類(Fulvic acid-like),可溶性微生物產(chǎn)物類(Soluble microbial by-product-like),腐殖酸類(Humic acid- like),其特征峰值分別分布在區(qū)域Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ.如表2.三維熒光圖譜中,不同的熒光峰位表示不同的物質(zhì),熒光強(qiáng)度越強(qiáng),熒光物質(zhì)的濃度越高.

1.3.3 其他分析方法 采用蒽酮-H2SO4法和Bradford法測定EPS中多糖和蛋白質(zhì)的含量,DNA采用二苯胺法進(jìn)行測定(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為2-脫氧-D-核糖),其中EPS總量為PS,PN與DNA之和[20], NH4+-N濃度采用納氏試劑光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法,NO3--N采用麝香草酚光度法.VSS和SS的測定采用標(biāo)準(zhǔn)方法[21].

2 結(jié)果與分析

2.1 3種EPS對厭氧氨氧化顆粒污泥活性的影響

氨氮去除速率能直接反映厭氧氨氧化的反應(yīng)速率,因此對厭氧氨氧化顆粒污泥的氨氮去除速率進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1a所示.對照組的氨氮去除速率從64.86mg/(L·d)增加至71.14mg/(L·d),增加了9.6%. IN-EPS組的氨氮去除速率從72.57mg/(L·d)增加至84.38mg/(L·d),增加16.28%. LB-EPS組的氨氮去除速率從69.90mg/(L·d)增加至83.95mg/(L·d),增加了20.10%. TB-EPS組的氨氮去除速率從70.11mg/(L·d)增加到了90.37mg/(L·d),增加了28.89%.添加了EPS的實(shí)驗(yàn)組,氨氮去除速率的增幅明顯高于對照組.這說明3種EPS均可以提高厭氧氨氧化顆粒污泥的活性.只添加EPS和合成廢水的實(shí)驗(yàn)組,氨氮去除速率基本為0mg/(L·d),因此可以排除EPS對氨氮的降解作用.

本研究同時(shí)分析了外源投加EPS對厭氧氨氧化顆粒污泥活性的影響.結(jié)果如圖1b所示.對照組的比厭氧氨氧化速率(SAA)值從37.25mg NH4+-N/ (gVSS·d)增加至44.04mg NH4+-N/(gVSS·d),SAA值增加了18.22%. TB-EPS組的SAA值從41.79mg NH4+-N/(gVSS·d)增加至54.22mg NH4+-N/(gVSS·d), SAA值增加了29.75%,是對照組的1.63倍.IN-EPS組和LB-EPS組的SAA值的增幅均大于對照組,其中IN-EPS組的SAA值增加了18.42%,LB-EPS組的SAA值增加了21.84%,這說明外源添加3種EPS均可以提高厭氧氨氧化細(xì)菌的活性.

本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)外源投加EPS會影響厭氧氨氧化菌的生長速率(圖1c).對照組的細(xì)菌生長速率為0.0021h-1.而EPS組的細(xì)菌生長速率均高于對照組,其中,IN-EPS組的細(xì)菌生長速率從0.0021h-1增加至0.0025h-1,增加了18.25%.LB-EPS組的細(xì)菌生長速率從0.0020h-1增加至0.0024h-1,增加了21%. TB-EPS組的細(xì)菌生長速率從0.0023h-1增加至0.0026h-1,增加了16.3%.這說明EPS的投加將會提高厭氧氨氧化細(xì)菌的生長速率,進(jìn)而提高厭氧氨氧化菌的氮去除速率.

郭靜[22]研究發(fā)現(xiàn),在厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動過程中,厭氧氨氧化菌的活性和EPS的分泌量呈正相關(guān),但關(guān)于EPS對細(xì)菌活性的影響,沒有做進(jìn)一步的分析.本研究通過外源投加的形式,證明了EPS可以提高厭氧氨氧化細(xì)菌的活性和生長速率,這說明EPS不僅對于厭氧氨氧化污泥的絮凝能力和表面性質(zhì)有著重要影響,同時(shí)對厭氧氨氧化細(xì)菌的活性和生長速率也有著重要的作用.

2.2 EPS的組成分析

如圖2所示,IN-EPS的濃度為220.19mg/L,其中PN的濃度為114.66mg/L,占EPS總量的52.07%,PS的濃度99.71mg/L,占EPS總量的45.28%,DNA的濃度最低,只有5.82mg/L. TB-EPS的濃度為254.27mg/L,其中PN的濃度為158.53mg/L,占EPS總量的62.35%,PS的濃度為89.19mg/L,占EPS總量的35.08%. LB-EPS在3種EPS中的濃度最低,為92.48mg/L,其中PN的濃度為57.01mg/L,占EPS總量的61.66%,PS的濃度為35.47mg/L,占EPS總量的38.34%.在3種EPS中,PN所占的比例最高,其次是多糖和DNA.

三維熒光光譜分析結(jié)果如圖3,IN-EPS在Ⅰ區(qū),Ⅱ區(qū),Ⅳ區(qū)出現(xiàn)了熒光強(qiáng)度,在Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)出現(xiàn)了熒光峰位,這說明IN-EPS主要由芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ類和可溶性微生物產(chǎn)物組成. LB-EPS和TB-EPS熒光強(qiáng)度的范圍較窄,熒光強(qiáng)度分布情況相似,熒光強(qiáng)度主要集中在Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū),分別代表芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ類和可溶性微生物產(chǎn)物.以上結(jié)果表明,厭氧氨氧化污泥的3種EPS主要由芳香族蛋白質(zhì)和可溶性微生物產(chǎn)物組成. PN在各類EPS中所占的比例最高,這與Bradford法的測試結(jié)果相同,大量的PN可能來源于細(xì)胞死亡后的釋放,細(xì)胞的分泌以及EPS中含有大量胞外酶所致[23].

圖2 3種EPS中PN,PS和DNA的含量

Guo等[5]探究了5種污泥(活性污泥,硝化污泥,反硝化污泥,高氯酸鹽還原污泥, S-驅(qū)動型高氯酸鹽還原污泥)的EPS對厭氧氨氧化細(xì)菌活性的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)反硝化污泥和高氯酸鹽還原污泥可以提高厭氧氨氧化菌的活性.對5種污泥的EPS的成分分析后發(fā)現(xiàn),反硝化污泥和高氯酸鹽污泥的EPS的PN含量在100mg/L以上,分別占EPS濃度的56%和74%,這與本研究的結(jié)果相似.而S-驅(qū)動型高氯酸鹽還原污泥,活性污泥和硝化污泥中PN的含量分別為0.31mg/L,0.68mg/L和47.14mg/L,只占到EPS總量的0.72%,1%和40%. Guo等[5]由此推測EPS中的PN起到了提高厭氧氨氧化細(xì)菌活性的作用,但是仍需要進(jìn)一步的研究證明.本研究將EPS中的AHLs進(jìn)行提取之后,將EPS重新投加到厭氧氨氧化顆粒污泥中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種EPS均不能提高厭氧氨氧化細(xì)菌的活性,而外源投加AHLs可以提高厭氧氨氧化菌的活性,因此推測AHLs是EPS中提高厭氧氨氧化菌活性的物質(zhì).具體分析見2.3.AHLs類信號分子可以提高厭氧氨氧化菌的活性[24],本研究利用GC-MS法,對厭氧氨氧化污泥的3種EPS(IN-EPS,LB-EPS, TB-EPS)中可能存在的AHLs的種類和濃度進(jìn)行了分析,以期對各類EPS影響厭氧氨氧化菌活性的機(jī)理做進(jìn)一步的解釋.

2.3 EPS中AHLs類信號分子的分析

目前對于厭氧氨氧化污泥EPS成分的分析主要集中于PN,PS和DNA的含量.關(guān)于EPS中AHLs的種類及濃度的報(bào)道仍然較少.本次研究檢測了EPS中的AHLs的種類和濃度,并從厭氧氨氧化菌以及上清液中提取AHLs進(jìn)行對比驗(yàn)證.

通過GC-MS法對厭氧氨氧化菌,EPS和上清液中的C4-HSL,C6-HSL,C8-HSL,C10-HSL和C12- HSL進(jìn)行檢測.檢測結(jié)果如圖4所示.IN-EPS,LB- EPS和TB-EPS中檢測到了3種AHLs類信號分子.分別為C4-HSL,C6-HSL和C10-HSL.其中C6-HSL的濃度最高,在IN-EPS,LB-EPS和TB-EPS中的濃度分別達(dá)到了167μg/L,78μg/L和122μg/L.其次是C10-HSL,在3種EPS中的濃度分別為37.85μg/L, 27.29μg/L和28.6μg/L.C4-HSL在3種EPS中的濃度最低,分別為17.5μg/L,18.05μg/L和50.45μg/L.以上結(jié)果證明了EPS中存在AHLs的猜想.為了探究AHLs類信號分子在EPS中的作用,將提取完AHLs的3種EPS重新投加到厭氧氨氧化顆粒污泥中.同時(shí)為了進(jìn)一步驗(yàn)證AHLs對厭氧氨氧化細(xì)菌活性的影響,分別向厭氧氨氧化顆粒污泥中投加C4-HSL, C6-HSL和C10-HSL,觀察厭氧氨氧化顆粒污泥活性的變化.

圖4 厭氧氨氧化菌,EPS和上清液中信號分子的濃度

采用GC-MS法對提取過AHLs的EPS進(jìn)行檢測,結(jié)果如圖5所示,不同的保留時(shí)間對應(yīng)不同種類的AHLs, 不同種類的EPS在相應(yīng)的保留時(shí)間處檢測不到波峰,這說明EPS中已經(jīng)不存在AHLs. 同時(shí),三維熒光光譜法分析(圖6)發(fā)現(xiàn),提取AHLs后,EPS的其他成分并未發(fā)生明顯變化,仍以芳香族蛋白質(zhì)和微生物產(chǎn)物為主.

將C4-HSL,C6-HSL,C10-HSL和提取完AHLs的3種EPS投加到厭氧氨氧化顆粒污泥中,結(jié)果如表3所示.對照組的SAA值從37.75mg NH4+-N/ (gVSS·d)升高到了44.04mg NH4+-N/ (gVSS·d),升高了16.66%.提取完AHLs的IN-EPS組,LB-EPS組和TB-EPS組的SAA值分別升高了16.60%,13.33%和17.17%,與對照組相比,SAA值基本沒有提升.

這說明在沒有AHLs的情況下,EPS中的其他成分并不能提高厭氧氨氧化菌的活性.為了進(jìn)一步驗(yàn)證AHLs對厭氧氨氧化細(xì)菌活性的作用,向厭氧氨氧化顆粒污泥中添加AHLs類信號分子,結(jié)果如表3所示,C4-HSL組和C6-HSL組的SAA值分別提升了20.38%和22.50%,分別是對照組的1.62倍和1.51倍.這說明C4-HSL和C6-HSL是EPS中提升厭氧氨氧化菌活性的重要物質(zhì),Liu等[5]發(fā)現(xiàn)外源投加C4-HSL和C6-HSL可以提高厭氧氨氧化菌的氮去除速率,這與本研究的發(fā)現(xiàn)一致.而添加C10-HSL的實(shí)驗(yàn)組的SAA值僅提升了15.69%,與對照組相比,SAA值沒有提升.近來的研究[16]也發(fā)現(xiàn),并不是所有的AHLs類信號分子都可以提升厭氧氨氧化菌的活性,Zhang等[24]研究發(fā)現(xiàn),外源投加C12-HSL并不能提高厭氧氨氧化菌的活性.本研究發(fā)現(xiàn)外源投加C10-HSL不能使厭氧氨氧化菌的活性升高.

圖5 EPS中AHLs的濃度(提取完AHLs后)

本研究同時(shí)分析了AHLs對生長速率的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn),提取完AHLs的3種EPS和C10-HSL均不能提高厭氧氨氧化菌的生長速率.

而C4-HSL組和C6-HSL組的厭氧氨氧化菌的生長速率分別增長了23.81%和19.05%.Tang等[16]研究發(fā)現(xiàn),C6-HSL可以提高厭氧氨氧化菌的生長速率,從而提高其氮去除表現(xiàn),這與本研究的結(jié)果一致.另外本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)C4-HSL可以提高厭氧氨氧化菌的活性和生長速率.IN-EPS,LB-EPS和TB-EPS中均可檢測出C4-HSL和C6-HSL, 正是因?yàn)镃4-HSL和C6-HSL的存在,外源投加這3種EPS可以提高厭氧氨氧化菌的生長速率和細(xì)菌活性.

對厭氧氨氧化菌以及上清液中的AHLs進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn).厭氧氨氧化菌中的C4-HSL,C6-HSL,C8- HSL, C10-HSL和C12-HSL的濃度分別為21.18μg/ L,2463.9μg/L,19.14μg/L,51.16μg/L,34.88μg/L.而上清液中只檢測出了C4-HSL和C6-HSL兩種信號分子,濃度分別為11.4μg/L和29.78μg/L. C4-HSL和C6-HSL在厭氧氨氧化菌,EPS和上清液中的濃度較高,而2.3中已經(jīng)證明外源投加C4-HSL和C6-HSL可以提高厭氧氨氧化菌的活性,因此推測C4-HSL和C6-HSL是提高厭氧氨氧化細(xì)菌活性的重要信號分子,其他信號分子對厭氧氨氧化細(xì)菌的作用仍需要進(jìn)一步的研究.AHLs的濃度在厭氧氨氧化菌,EPS和上清液中逐漸減少,這是因?yàn)锳HLs在EPS和上清液中的傳質(zhì)能力和穩(wěn)定性不同[16].由于群體感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生與AHLs的濃度有關(guān),因此對于厭氧氨氧化菌而言,被EPS包裹的生物聚集體內(nèi)部群體感應(yīng)現(xiàn)象更易發(fā)生.而上清液中的AHLs濃度較低,生物聚集體之間的群體感應(yīng)現(xiàn)象會因此減弱.

表2 EPS(無AHLs)和AHLs對厭氧氨氧化菌活性和生長速率的影響

3 結(jié)論

3.1 外源投加IN-EPS,LB-EPS,TB-EPS可以提高厭氧氨氧化菌的生長速率和細(xì)菌活性,從而提高厭氧氨氧化菌的氮去除速率.添加IN-EPS,LB-EPS和TB-EPS可將厭氧氨氧化菌生長速率分別增加18.25%,21%,16.3%.將厭氧氨氧化顆粒污泥的氨氮去除速率分別增加6.68%,10.5%和19.29%.

3.2 AHLs是提升厭氧氨氧化活性的重要物質(zhì).將提取完AHLs的EPS重新投加至厭氧氨氧化顆粒污泥中,厭氧氨氧化顆粒污泥的活性并沒有提升.

3.3 外源投加C4-HSL,C6-HSL和C10-HSL到厭氧氨氧化顆粒污泥中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有C4-HS和C6-HSL可以提高厭氧氨氧化菌的生長速率和細(xì)菌活性,這是EPS可以提高厭氧氨氧化菌活性的原因.

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Effect of extracellular polymers and signal molecules on the activity of ANAMMOX sludge.

ZHANG Ya-chao1, ZHANG Jing1, HOU Ai-yue2, ZHOU Rong-xuan1, LIANG Dong-bo1, ZHANG Kai1, LIU Yang1, LI Jun1*

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.CAUPD Beijing Planning & Design Consultants Co., Beijing 100825, China)., 2019,39(10)：4133~4140

In order to investigate the effect of extracellular polymers (EPS) on the activity of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) granular sludge, a certain concentration (30mg/L) of integral extracellular polymers (IN-EPS), loosely bound extracellular polymers (LB-EPS) and tightly bound extracellular polymers (TB-EPS) were added to ANAMMOX granular sludge, respectively. The results indicated that all of the aforementioned EPS could improve the activity of ANAMMOX granular sludge. With regard to the test group including IN-EPS, LB-EPS or TB-EPS, the ammonia nitrogen removal rate of ANAMMOX granular sludge had an increase of 6.68%, 10.5% and 19.29% respectively, while the growth rate of ANAMMOX bacteria increased by 18.25%, 21% and 16.3% respectively. The compositions of three EPSs were basically identical, which is mainly consisted of aromatic proteins and soluble microbial products through three-dimensional fluorescence spectroscopy. And three kinds of acylated homoserine lactones (AHLs) signal molecules in EPSs: C4-HSL, C6-HSL and C10-HSL were found. Additionally, we discovered that C4-HSL and C6-HSL could improve the activity and growth rate of ANAMMOX particles through adding the above EPSs to ANAMMOX granular sludge. This interpreted why EPS could improve the activity of ANAMMOX granular sludge.

anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX)；extracellular polymers (EPS)；acylated homoserine lactones (AHLs)

X703

A

1000-6923(2019)10-4133-08

張亞超(1993-),男,河北邢臺人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事厭氧氨氧化脫氮研究.

2019-03-22

水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2017ZX07103-001)

* 責(zé)任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn