苯胺類染化廢水對活性污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

董煥成

（喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844000）

染料化工行業(yè)是我國傳統(tǒng)的化工產(chǎn)業(yè)。在染料合成及應(yīng)用中，產(chǎn)生的染化廢水排放量占工業(yè)廢水的16%以上，其中含有大量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有毒有害和難生物降解的有機(jī)物[1]。苯胺和氯代苯胺作為重要的有機(jī)中間體，在染料等行業(yè)應(yīng)用比較廣泛，生產(chǎn)工程中也會產(chǎn)生大量的含苯胺類化合物的廢水，其質(zhì)量濃度可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千mg·L-1[2-3]。近年來，分子生物學(xué)技術(shù)得到了快速發(fā)展，其直接從分子水平上研究微生物資源，避免了傳統(tǒng)微生物分析方法的局限性，在分析復(fù)雜環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)中具有重要優(yōu)勢，能更可靠、更直接地反應(yīng)細(xì)菌的群落構(gòu)成及多樣性[4-5]。高通量測序不需對微生物進(jìn)行分離培養(yǎng)，對微生物物種多樣性以及群落結(jié)構(gòu)的反映也較為真實(shí)、客觀[6]。本試驗(yàn)通過對活性污泥法處理苯胺類染化廢水中微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為好氧處理染化廢水的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水取自新鄉(xiāng)某染化公司，具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用活性污泥：TS值為5.81 g·L-1，VS/TS 值為 54.47%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

表1 水質(zhì)特征Tab.1 Quality of the Wastewater

反應(yīng)器總?cè)莘e為9L，其中有效容積為6L，采用瞬時(shí)進(jìn)水和虹吸排水的模式。反應(yīng)器內(nèi)放置曝氣頭，通過pH計(jì)檢測并控制反應(yīng)器中pH值維持在7.5左右，定時(shí)在反應(yīng)器上方取樣。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

反應(yīng)器進(jìn)水4L，將2L活性污泥接種至反應(yīng)器中，溫度為室溫，pH調(diào)至7.5左右。實(shí)驗(yàn)過程中一個(gè)馴化周期中的COD值逐漸趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)所用樣品污泥取自反應(yīng)器啟動時(shí)、啟動中期、啟動后期，分別編號為group-1、group-2、group-3。將3組樣品污泥委托上海生工生物有限公司高通量測序，對微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 門、綱分類分析

圖1 門分類水平上群落相對百分比Fig.1 The Relative Percentages of the Community Constitution on Phylum Level

圖2 綱分類水平上群落相對百分比Fig.2 The Relative Percentages of the Community Constitution on Class Level

通過對3個(gè)污泥樣品的高通量測序序列與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，門、綱分類水平上的群落組成相對百分比如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可得，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)中期活性污泥中微生物種類減少硝化螺旋菌門（Nitrospirae），芽單胞菌門（Gemmatimonadetes），異常球菌-棲熱菌門（Deinococcus-Thermus），酸桿菌門 （Acidobacteria），梭 桿菌 門 （Fusobacteria）， 螺 旋 體 門（Spirochaetae）等12種細(xì)菌門類，反應(yīng)后期又減少裝甲菌門（Armatimonadetes），疣微菌門（Verrucomicrobia），綠菌門（Chlorobi），廣古菌門（Euryarchaeota） 4種門類。另外，隨著反應(yīng)周期的增加，變形菌門（Proteobacteria） 由反應(yīng)初始的41%升至約79%，其中 α-變形菌綱 （Alphaproteobacteria）由17%升至約58%，原因是其主要生存在鹽水環(huán)境中[7]。而β-變形菌綱（Betaproteobacteria） 由 13%先升至 20%后降到約8%，前期升高的原因可能是由于在輸入營養(yǎng)的條件下得到增殖，而后期下降是因其為典型的淡水細(xì)菌，主要存在于淡水環(huán)境中[8]。γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria） 由9升至約1%。厚壁菌門（Firmicutes） 由23%逐漸降至約0.2%，擬桿菌門（Bacteroidetes） 由7%逐漸降至約2%。

2.2 屬分類分析

為進(jìn)一步探究活性污泥中微生物群落的變化，對微生物群落在屬分類水平上進(jìn)行分析，獲得16個(gè)相對豐度均大于2%的細(xì)菌類群，分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可得，隨著反應(yīng)周期的增加，α-變形菌綱在屬的分類水平上分析可得，未發(fā)現(xiàn)的赤桿菌科 （unclassified_Erythrobacteraceae）、錯(cuò)玫桿菌屬（Falsirhodobacter）、鞘氨醇單胞菌屬 （Sphingopyxis）、紫桿菌屬 （Porphyrobacter）、根瘤菌屬（Rhizobium）以及未發(fā)現(xiàn)的瘤胃菌科（unclassified_Ruminococcaceae） 等出現(xiàn)了明顯的變化。

錯(cuò)玫桿菌屬 （Falsirhodobacter） 由 0%增至5.94%，是因?yàn)槠浯嬖谟趙（NaCl）為1%～3%、pH值為7.0、溫度為30℃的環(huán)境下[9]。赤桿菌科 （Erythrobacteraceae） 由 0.09%增至 15.65%，原因是其在高鹽度環(huán)境下能夠生存[10]。鞘氨醇單胞菌屬（Sphingopyxis） 由0.18%增至5.08%，原因是其屬下的某些細(xì)菌類群能夠降解芳香化合物，特別是多環(huán)芳烴（PAHs） 和六氯環(huán)己烷（HCH）異構(gòu)體，此外還可以降解蒽醌染料及中間體。這說明在一定環(huán)境壓力下，由于某些細(xì)菌具由特殊功能，其物質(zhì)利用能力和耐受力都較強(qiáng)，能夠進(jìn)行生長增殖，進(jìn)而降低了微生物群落的多樣性[11]。紫桿菌屬 （Porphyrobacter）由0.01%增至5.76%，是因?yàn)槠淠軌蛟谘鯕獯嬖跁r(shí)合成一種細(xì)菌葉綠素。瘤胃菌科（Ruminococcaceae） 由5.15%降至0.05%，其本身具有降解纖維素的功能，但試驗(yàn)廢水不能為其提供所需營養(yǎng)。

圖3 反應(yīng)周期中主要菌屬相對豐度Fig.3 Relative Abundance of Dominant Genus in the Acclimation Period

3 結(jié)論

反應(yīng)器運(yùn)行期間，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，Proteobacteria門由41%增至約79%，其中Alphaproteobacteria綱由 17%升至約 58%，Betaproteobacteria綱由13%先升至20%后降到約8%。Sphingopyxis屬由0.18%增至5.08%，Erythrobacteraceae科由0.09%增至15.65%，說明苯胺類染化廢水中的鹽度、苯胺等因素對活性污泥中的微生物具有篩選作用，其中嗜鹽菌群大量繁殖，Sphingopyxis屬和Erythrobacteraceae科成為優(yōu)勢菌群。