電場脅迫作用對生物膜中微生物多樣性的影響研究

高慧娟　王寶山　王洋　張澤璽

摘要：采用電生物耦舍處理技術(shù)處理生活污水，應(yīng)用16SRNA高通量測序技術(shù)研究了不同pH值范圍下電生物耦合處理技術(shù)對微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度和多樣性的影響。微生物多樣性結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水pH值為7.0～7.5時(shí)，通過加電，增加了微生物豐度及多樣性，優(yōu)勢茵群為浮游球衣茵（Sphaerotilus）、腐螺旋菌屬（Sapros piraceae）、熱單胞菌屬（Thermomonas）、絲硫細(xì)菌（Thioth ri.x）、黃桿菌屬（Flavobacterium）等，相對豐度分別為7. 64%、5.47%、5.16%、4.84%、3.14%。當(dāng)進(jìn)水pH值為7.5-8.O時(shí)，電生物耦合反應(yīng)器中優(yōu)勢菌群為腐螺旋菌科（Sa prosp iraceae）、絲硫細(xì)菌（Th ioth riz）、厭氧繩菌（Anaerolineaceae）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、浮游球衣菌（Sphaerotilus）、紅育菌屬（Rhodoferax）、噬氫茵屬（Hydrogenophaga）等，相對豐度分別為6. 55%、5.58%、5.29%、3.59%、3.58%，2.67%、2.45%。通過Chao、Shannon、Simpson指數(shù)計(jì)算酸性或中性條件下，通過加電降低了微生物的豐富度，但一定程度上增加了微生物的多樣性。

關(guān)鍵詞：電生物耦合;生活污水;高通量測序;微生物多樣性

中圖分類號：X52 史獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（ 2020） 2-0132-06

1 引言

電一生物處理系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)后期，是將電場和生物結(jié)合來處理廢水的新型水處理技術(shù)，在污水處理方面已引起了廣泛的關(guān)注，主要應(yīng)用在脫氮及降解高濃度有毒有機(jī)物、強(qiáng)化生物除磷及處理重金屬離子等領(lǐng)域。國外報(bào)道最早的是1988年U Fuchs等初步研究了電一生物處理技術(shù)在反硝化除氮中的應(yīng)用，并取得了較好的反硝化效果[1，2]。電一生物處理系統(tǒng)中外電場的促進(jìn)作用主要是利用電化學(xué)過程或者電解反應(yīng)中產(chǎn)生的活性物質(zhì)促進(jìn)微生物的生長，并利用電解一微生物的協(xié)同作用而使水中的某些污染物降解和凈化。電一微生物系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多酶系統(tǒng)，可以促進(jìn)生物處理系統(tǒng)的效果。2016年，J Pratiksha等對電一生物技術(shù)處理工業(yè)廢水進(jìn)行了總結(jié)與梳理，認(rèn)為電一生物處理系統(tǒng)相比單獨(dú)的電化學(xué)處理或生物處理更具經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢。但從微生物角度，研究電生物耦合反應(yīng)下微生物群落結(jié)構(gòu)及豐度變化文獻(xiàn)較少。

電生物耦合技術(shù)處理污水的機(jī)制主要是電場對微生物的刺激效應(yīng)，其主要原理主要包括以下幾個(gè)方面。在外加電場的刺激下，細(xì)胞膜的通透性可能擴(kuò)大，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜，促進(jìn)微生物生長;通過電滲析和電泳的作用加強(qiáng)了固定化介質(zhì)中有害物質(zhì)的去除[3，4]。Nancy V-A等[5]通過對黑曲霉做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較低的電流密度可刺激沒有被有機(jī)物同化的微生物的新陳代謝，并且這種影響會隨著生物膜的增加而直線減小。Mozah Z等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，在電一生物反應(yīng)器中，通過外加間歇式電流，電生物反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)會在一定水平上發(fā)生改變。因?yàn)殚g歇式的電流會對一部分微生物的生長產(chǎn)生刺激或抑制的作用。據(jù)研究，電活性生物膜（ Electrochemically active biofilms.EABs）是一類能夠直接與胞外固態(tài)載體（鐵氧化物、腐殖質(zhì)及電極等）進(jìn)行電子交換的生物膜，在污染物治理上有廣泛的應(yīng)用前景[7]。

電解可以產(chǎn)生氫或氧，有利于需要它們的菌類作為營養(yǎng)源。在電生物反應(yīng)器中，陽極產(chǎn)生氧氣使其周圍以好氧環(huán)境為主，陰極產(chǎn)生氫氣同時(shí)消耗氧，使陰極板附近形成缺氧環(huán)境，此現(xiàn)象有利于氫自養(yǎng)反硝化，細(xì)菌的反硝化作用[8]。馬利民[9]研究了電生物膜法對飲用水除氮的效果。結(jié)果表明，電流對反硝化作用有一定的促進(jìn)作用，在c/N=O，水力停留時(shí)間8h.I=800mA時(shí)，硝酸鹽的去除率可達(dá)到90%，電流對微生物的反硝化起到了一定的促進(jìn)作用，尤其是在碳/氮較小情況下，系統(tǒng)主要是以自養(yǎng)反硝化為主，隨著電流密度增大，其脫氮效果也就會越好。

微生物處于特定電場中，可能產(chǎn)生電催化作用，激活或增強(qiáng)某些酶的活性，從而促進(jìn)酶的生物活性反應(yīng)，提高微生物的廢物處理能力[10]。陳樹德等[11]通過研究低頻電磁場對細(xì)胞的生物效應(yīng)中場作用時(shí)間和細(xì)胞密度對該效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，低頻電磁場對細(xì)胞增殖存在直接和間接作用，通過低頻電磁場可以影響細(xì)胞的代謝過程、細(xì)胞的基因表達(dá)、細(xì)胞增殖、酶活力、膜轉(zhuǎn)移和細(xì)胞膜的通透性。

本研究利用16S rRNA高通量測序技術(shù)對電一生物耦合反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性變化進(jìn)行分析，探索不同pH值范圍下微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。進(jìn)而從微觀角度解析電生物耦合技術(shù)處理廢水的原理，并為工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置及材料

2.1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用2套裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，均為厭氧十好氧的組合運(yùn)行方式，其中一組好氧反應(yīng)器加入電極板，即電生物組，其中陽極接入鍍釕極板，陰極采用鈦極板，另一組作為空白對照，不加電極板，其他運(yùn)行參數(shù)在運(yùn)行過程中保持一致。

試驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制作，厭氧反應(yīng)器，由上流式濾柱組成，尺寸為：內(nèi)徑200 mm，高872 mm，進(jìn)水區(qū)位于濾池底部，進(jìn)水區(qū)與填料區(qū)用穿孔板隔開，濾板上均勻布置直徑10 mm的濾孔。好氧反應(yīng)器采用下進(jìn)上出的進(jìn)水方式，尺寸為500 mm×300 mm×450 mm，進(jìn)水區(qū)高度為100 mm，填料區(qū)高度為250 mm，底部通過穿孔板進(jìn)行均勻曝氣。其中厭氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器中填料均采用聚氨酯填料，填料尺寸為50 mm×50 mm×50 mm。試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

2.1.2試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為蘭州交通大學(xué)校園生活污水，其水質(zhì)隨著季節(jié)變化有一定范圍波動，具體水質(zhì)情況見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 微生物的培養(yǎng)與馴化

試驗(yàn)中接種污泥選用蘭州市雁兒灣污水廠曝氣池污泥，用白色塑料桶收集部分活性污泥后，直接投入兩組反應(yīng)器，污泥接種量約為各反應(yīng)器容積的15%。

試驗(yàn)裝置運(yùn)行初期，電生物反應(yīng)器外接2.0 V電壓，兩組好氧反應(yīng)器均采用間歇培養(yǎng)方式，先將校園生活污水通過蠕動泵泵人一個(gè)大的儲水箱中，并將其進(jìn)行初沉，取上清液泵入裝置，投入的生活污水要能將反應(yīng)器中的聚氨酯填料完全浸沒，隨后進(jìn)行悶曝，好氧反應(yīng)器中溶解氧為3～4 mg/L。悶曝24 h后，停止曝氣，好氧反應(yīng)器內(nèi)混合液靜沉2h后，將反應(yīng)器中澄清的上清液排出，再換水繼續(xù)進(jìn)行悶曝，形成循環(huán)。3d后改為小流量連續(xù)進(jìn)水，同時(shí)對好氧反應(yīng)器進(jìn)行曝氣[12.13]。

在連續(xù)進(jìn)水并進(jìn)行曝氣后，兩組反應(yīng)器的內(nèi)壁及聚氨酯填料表面均能明顯觀測到附著的大量絲狀絮，當(dāng)持續(xù)進(jìn)水并曝氣12 d時(shí)，黃褐色的生物膜開始變?yōu)檩^深的灰褐色。有資料表明，生物法處理污水時(shí)，一般選擇CODcr和氨氮的去除情況作為生物膜是否成熟穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)氨氮的去除率能夠長期穩(wěn)定大于60%，則可判斷濾池中的生物膜基本成熟[14，15]。

本研究根據(jù)電生物耦合反應(yīng)器的不同運(yùn)行工況，對好氧裝置進(jìn)行生物膜取樣。反應(yīng)器啟動第10天，電生物反應(yīng)器COD去除率穩(wěn)定在71.04%以上，出水濃度在49. 413 mg/L以下，NH3-N去除率穩(wěn)定在65.01%以上，出水濃度在15. 957 mg/L以下;反應(yīng)器啟動第12天，對照組COD去除率穩(wěn)定在45. 95%，出水濃度在101. 54 mg/L以下，NH。-N去除率穩(wěn)定在34. 69%，出水濃度在29. 687 mg/L以下。此時(shí)聚氨酯填料表面可見附有淺黃色絮體，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，聚氨酯填料表面生物膜逐漸增厚致密直至填料便面被生物膜完全覆蓋。

3.2.2 生物膜樣品的采樣與保存

為分析電生物耦合反應(yīng)器與對照組微生物種群類別、數(shù)量及分布特征，分別在兩個(gè)反應(yīng)器上、中、下各取3個(gè)生物膜樣本，距反應(yīng)器填料區(qū)底部高度分別為80mm，160 mm.250 mm，并分別用字母對生物膜樣本進(jìn)行編號。其中AOE、AOC分別是進(jìn)水pH值為7.0～7.5時(shí)電生物耦合反應(yīng)器和空白對照組填料表面的生物膜樣本;MOE、MOC分別是進(jìn)水pH值為7.5～8.O時(shí)電生物耦合反應(yīng)器與空白對照組填料表面的生物膜樣本。電生物反應(yīng)器外加電壓均為2V，極板間距為10 cm。

收集聚氨酯填料表面生物膜時(shí)，需用事先滅菌并經(jīng)過75%的酒精消毒的醫(yī)用剪刀將填料剪成6 m3塊狀后，置于50 ml_無菌離心管中，并于-80℃冰箱保存至DNA提取。

2.2.3 細(xì)菌基因組DNA的提取及PCR擴(kuò)增

采用DNA提取試劑盒（Omega Soil DNA Kit）提取所有樣品的DNA，并進(jìn)行DNA濃度、純度及完整性檢測。完成基因組DNA抽提后，利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA。

為避免序列太長影響測序，選用細(xì)菌通用引物515F（5- GTGCCAGCMGCCGCGG-3'）和907R（5'- CCGTCAATTCMTTTRAGTTT -3），對細(xì)菌DNA的515F- 907R區(qū)域進(jìn)行細(xì)菌16SrDNA序列片段擴(kuò)增。選用真菌通用引物ITSIF（5- CTTGGT-CATTTAGAGGAAGTAA -3），ITS2R（5- GCT-GCGTTCTTCATCGATGC -3）對真菌ITSIF -ITS2R區(qū)域進(jìn)行真菌序列片段擴(kuò)增。

PCR反應(yīng)采用TransStart Fastpfu DNA Polymer-ase，20 μL反應(yīng)體系，DNA模板10 ng。為保證后續(xù)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性及可靠性，需滿足兩個(gè)條件：①盡可能使用低循環(huán)數(shù)擴(kuò)增;②保證每個(gè)樣本擴(kuò)增的循環(huán)數(shù)一致。隨機(jī)選取具有代表性的樣本進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，確保在最低循環(huán)數(shù)中使絕大多數(shù)樣本能夠擴(kuò)增出濃度合適的產(chǎn)物。

PCR反應(yīng)體系為20μL其中5×FastPfu Buffer 4μL，2.5 mM dNTPs 2μL， Forward Primer（ 5μM）0.8μL， Reverse Primer（5 μM）0.8μL， FastPfu Polymerase.0.4μL，用ddH2O補(bǔ)足至20 μL。PCR反應(yīng)參數(shù)為95℃預(yù)變性5 min，95℃變性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸45 s，27個(gè)循環(huán);然后72℃延伸10 min，10℃保溫。

全部樣本按照正式實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行，每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)，將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXY-GEN公司）切膠回收PCR產(chǎn)物，Tris- HCI洗脫;2%瓊脂糖電泳檢測。

2.2.4 高通量測序

熒光定量：參照電泳初步定量結(jié)果，將PCR產(chǎn)物用QuantiFluorTM一ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)（Promega公司）進(jìn)行檢測定量，之后按照每個(gè)樣本的測序量要求，進(jìn)行相應(yīng)比例的混合。

Illumina PE250文庫構(gòu)建：連接“Y”字形接頭，使用磁珠篩選去除接頭自連片段;利用PCR擴(kuò)增進(jìn)行文庫模板的富集;氫氧化鈉變性，產(chǎn)生單鏈DNA片段。

Illumina PE250測序：DNA片段的一端與引物堿基互補(bǔ)，固定在芯片上;另一端隨機(jī)與附近的另外一個(gè)引物互補(bǔ)，也被固定住，形成“橋（ bridge）”;PCR擴(kuò)增，產(chǎn)生DNA簇;DNA擴(kuò)增子線性化成為單鏈。加入改造過的DNA聚合酶和帶有4種熒光標(biāo)記的dNTP，每次循環(huán)只合成一個(gè)堿基;用激光掃描反應(yīng)板表面，讀取每條模板序列第一輪反應(yīng)所聚合上去的核苷酸種類;將“熒光基團(tuán)”和“終止基團(tuán)”化學(xué)切割，恢復(fù)3端粘性，繼續(xù)聚合第二個(gè)核苷酸;統(tǒng)計(jì)每輪收集到的熒光信號結(jié)果，獲知模板DNA片段的序列。

3 結(jié)果與分析

3.1 微生物豐度及群落多樣性分析

OTU分布韋恩圖可用于統(tǒng)計(jì)多個(gè)樣本中所共有和獨(dú)有的OTU數(shù)目，可以比較直觀的表現(xiàn)環(huán)境樣本的OTU數(shù)目組成相似性及重疊情況。在97%的相似水平下通過R語言工具對4個(gè)生物膜樣品（AOC、AOE、MOC、MOE）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并作圖，見圖2。

經(jīng)PCR和高通量測序后，4個(gè)生物膜樣品（AOC、AOE、MOC、MOE）獲得有效序列數(shù)在46221～20428746之間。為了解析生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)豐富度，在97%的相似度水平對有效序列歸類OTU并統(tǒng)計(jì)各樣本的a-多樣性指數(shù)見表1。各樣本OTU數(shù)量在1082 - 1912之間，分別為：1719（ AOC）、1082（AOE）、1912（MOC）和17IO（MOE）OTUs。

Alpha多樣性指數(shù)主要包括計(jì)算群落豐度的ACE和Chaol兩個(gè)指數(shù)，以及計(jì)算群落多樣性的Shannon、Coverage和Simpson 3個(gè)指數(shù)。Chao或ACE是用來衡量群落豐度的指數(shù)，指數(shù)越大，說明群落豐富度越高;多樣性指數(shù)Shannon和Simpson指數(shù)反應(yīng)了群落種類多樣性及均勻性，Simpson指數(shù)越大表明群落的多樣性較低，Shannon指數(shù)越大，表明群落多樣性較高;Coverage指數(shù)反應(yīng)了樣品文庫的覆蓋率，指數(shù)越大，表明樣品文庫覆蓋率高，數(shù)據(jù)可靠[16]。

在97%分類水平上，通過應(yīng)用Mothur軟件計(jì)算各樣品的豐富度和多樣性指數(shù)（見表2）。各樣品覆蓋率均在97%以上，說明本次測序可以覆蓋群落的多樣性，生物膜中大多數(shù)微生物均已被檢測出來。由表1可見，樣品AOC、AOE、MOC、MOE的Chaol指數(shù)分別為2246. 003774、1553. 144578、2193. 75、2100. 193966，則四組樣品Chaol指數(shù)大小順序?yàn)锳OC> MOC> MOE>AOE，AOE的Chaol指數(shù)最小，說明AOE的群落豐富度最低，AOC的Chaol指數(shù)最大，說明AOC的群落豐富度最高。樣品AOC、AOE、MOC、MOE的Simpson指數(shù)分別為0. 040312、0.010658、0.006893、0.008382，則四組樣品Simpson指數(shù)大小順序?yàn)锳OC> AOE>MOE> MOC，說明AOC的群落多樣性最低，MOC的群落多樣性最高。樣品AOC、AOE、MOC、MOE的Shannon指數(shù)分別為5.030559、5.537133、6.000597、5.786099，則四組樣品Shannon指數(shù)大小順序?yàn)镸OC>MOE> AOE> AOC，說明AOC的群落多樣性最低，MOC的群落多樣性最高，結(jié)果與Simpson指數(shù)結(jié)果一致。指數(shù)分析結(jié)果表明，電生物反應(yīng)器菌群豐度指數(shù)均低于穩(wěn)定期對照組的菌群豐度指數(shù)，這主要是微生物生存環(huán)境條件差異的選擇結(jié)果。

3.2 門水平下微生物群落分布特點(diǎn)

為了進(jìn)一步研究不同的pH值及電壓對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，取4個(gè)樣品分別在門和屬水平下進(jìn)行分析。圖3為門水平下生物膜中微生物分布柱狀圖，由圖2知4個(gè)樣品中變形菌門Proteobacteria為優(yōu)勢菌，豐度分別為71. 75%，61. 21%，54. 81%，48. 55%，其次是擬桿菌門（Bacterroidetes）（10. 56%，23. 39%，21. 94%，26. 09%）、綠彎菌門（Chlorofleri）（3.99%，4.02%，8.33%，6.75%）、浮霉菌門（Planctomycetes）（4.29%，2.51%，4.83%，3.00%）。此外厚壁菌門（Firmicutes）（1.68%，2.26%，2.56%，1.79%）、放線菌門（Actinobacte-ria） （2. 67%，1.71%，1.42%，1.34%）也是4個(gè)樣品中的主要門類（相對豐度>1%）。此外，AOC中硝化螺旋菌門（Nitrospirae）（1.57%）相對豐度較高，樣品AOE、MOC和MOE中硝化螺旋菌門Nitrospirae所占豐度分別為0. 05%，0.39%，0.14%;4個(gè)樣品中酸桿菌門（Ac-idobacteria）所占豐度分別為0.94%，1.26%，1.40%，0. 80%。

通過比較發(fā)現(xiàn)，變形菌門（Proteobacteria）是四個(gè)樣品中均占絕大多數(shù)，為優(yōu)勢菌群。在原水pH值為7.0～7.5條件下，通過外加電場明顯增加了擬桿菌門（Bacterroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）和酸桿菌門（Acidobacteria）的相對豐度，降低了浮霉菌門（Plancto-mycetes）和放線菌門（Actinobacteria）的相對豐度。在原水pH值為7.5～8.O條件下，通過外加電場變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Ch loroflexi）、浮霉菌門（Planctomycetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和酸桿菌門（Acidobacteria）等細(xì)菌的相對豐度有明顯下降，擬桿菌門（Bacterroidetes）和疣微菌門（Verrucomic.robia）相對豐度得到明顯的提高。

結(jié)果表明，在偏酸性水質(zhì)條件下，通過外加電場一定程度上可抑制浮霉菌門（Planctomycetes）和放線菌門（Actinobacteria）的生長，擬桿菌門（Bacterroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）和酸桿菌門（Acidobacteria）的相對豐度可得到一定的提高。在偏中性水質(zhì)條件下，通過外加電場一定程度上可抑制變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chlorofleri）、浮霉菌門（Planctomycetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和酸桿菌門（Acidobacteria）的生長，同時(shí)提高了擬桿菌門（Bacterroidetes）和疣微菌門（Verrucomicrobia）的相對豐度。

3.3 屬水平下微生物群落分布特點(diǎn)

圖4為屬分類水平下生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)分布柱狀圖，由圖4知4組生物膜樣品在屬分類水平上微生物群落結(jié)構(gòu)存在較大差異。由圖4可知，在進(jìn)水pH值為7.0～7.5時(shí)，通過外加2.OV電壓，AOE生物膜樣品中優(yōu)勢菌群中共21個(gè)屬（相對豐度>1%），分別為浮游球衣菌（Sphaerotilus）（7.64%）、腐螺旋菌屬（Sapro-spiraceae）（5.47%）、熱單胞菌屬（Thermomonas）（5.16%）、絲硫細(xì)菌（Thiothrir）（4.84%）、黃桿菌屬（Fla-vobacterium）（3.14%）、紅育菌屬（Rhodoferax）（2.75%）、厭氧繩菌（Anaerolzneaceae）（2.68%）、伯克霍爾德氏菌科（Burkholderiaceae）（2.26%）、沙單胞菌（Arenimonas）（l. 94%）、NS9（marznr grouP）（1.75%）、（Rh.odanobacteraceae）（1.69%）、新鞘脂菌屬（ No-vosphingobum）（1.68%）、（1errzmonas）（1.60%）、噬氫菌屬（Hydrogenophaga）（1.59%）、（Ramlibacter）（l.59%）、（AKYH767） （1. 44%）、噬酸菌屬（Acidovorax）（1.38%）、反硝化細(xì)菌（Dokdonella>（1.36%）、（Tabrizicola）（1.15%）、（Sulfurictalea）（1.08%）及（Ideonella）（1.05%）。

在進(jìn)水pH值為7.5～8.O時(shí)，通過外加2.OV電壓，MOE生物膜樣品中優(yōu)勢菌群中共20個(gè)屬（相對豐度>1%），分別為：腐螺旋菌科（Saprospiraceae）（6.55%）、絲硫細(xì)菌（Thiothri）（5.58%）、厭氧繩菌（Anaerolineaceae）（5.29%）、黃桿菌屬（Flavobacteri-um）（3.59%）、浮游球衣菌（SphaerotiLus）（3.58%）、紅育菌屬（Rhodoferax）（2.67%）、噬氫菌屬（ Hydrog-enophaga）（2.45%）、熱單胞菌屬（1 hermomonas）（1.49%）、反硝化細(xì)菌（DokdonelLa）（1.49%）、NS9（marznrgrouP）（1.49%）、（ Sulfurictalea）（1.46%）、羅丹諾桿菌科黃桿菌屬（Rhodanobacteraceae）（1.42%）、（Terri-monas） （1. 39%）、（AKYH767） （1. 31%）、新鞘脂菌屬（Novosphingobum）（1.26%）、中度噬鹽菌（ Bha-lomonas）（1.24%）、（Ramlibacter）（1.13%）、土壤桿菌屬（Sediminibacterium）（1.10%）、（urkholderiaceae）（1.0096）及亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）（1.02%）。

當(dāng)進(jìn)水pH值為7.0～7.5，通過外加電壓，嗜鹽海洋粘細(xì)菌（Haliangium）、浮游球衣菌（Sphaerotilus）、絲硫細(xì)菌（Thiothrir）、小囊菌屬（Nannocystis）、厭氧繩菌科（AnaerolZneaceae）、鹽單胞菌屬（HaLomonas）等菌屬在電生物反應(yīng)器中消失或減少，而熱單胞菌屬（Thermomonas）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、紅育菌屬（Rhodoferax）、伯克霍爾德氏菌科（Burkholderiaceae）、沙單胞菌（Arenimonas）、噬氫菌屬（Hydrogenophaga）、噬酸菌屬（Acidovorax）、反硝化細(xì)菌（Dokdonella）等菌屬在電生物反應(yīng)器中出現(xiàn)或增加。

當(dāng)進(jìn)水pH值為7.5～8.O，通過外加電壓，嗜鹽海洋粘細(xì)菌（Haliangium）、陶厄氏菌屬（Thauera）、脫氯單胞菌屬（Dechloromonas）、銅綠假單胞菌屬（Pseudo-monas）等菌屬在電生物反應(yīng)器消失或減少，表明這些菌屬對電流刺激比較敏感，這些菌屬的生長代謝在外加電壓下會受到抑制，并不適合在電流刺激下生長。而腐螺旋菌科（Saprospiraceae）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、噬氫菌屬（Hydrogenophaga）、新鞘脂菌屬（Novosphin-gobum）、亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）等菌屬在電生物反應(yīng)器中出現(xiàn)或增加，并成為優(yōu)勢菌屬，說明在適當(dāng)?shù)耐饧与妷合驴纱龠M(jìn)這些菌屬的生長代謝。

3.4 電生物反應(yīng)器中優(yōu)勢菌群及功能菌群分析

噬氫菌屬（Hydrogenophaga）是一類好氧兼性嗜氫的革蘭氏陰性菌，其糖代謝方式是以氧為末端電子受體的氧化性糖代謝，有機(jī)污染物降解能力較強(qiáng)。Deng S等[17]對低碳廢水中氮素的微電解生物膜法降解試驗(yàn)研究表明，在體表面生物膜內(nèi)噬氫菌屬為優(yōu)勢菌屬，對同步硝化反硝化系統(tǒng)脫氮成效的影響顯著。Han MingGan等[18]首次在紡織廢水處理廠分離出降解4-氨基苯硫化物的噬氫菌屬（Hydrogenophaga）并研究了其合成物的表征，結(jié)果表明噬氫菌屬（Hydrogenophaga）可有效去除紡織廢水中產(chǎn)生的芳香胺。國內(nèi)外大量研究表明（Hydrogenophaga）能降解多種有機(jī)污染物，尤其是芳香族污染物，如4-氨基苯，多氯聯(lián)苯和甲基叔丁基醚，（Hydrogenophaga）在陰極表面的電子轉(zhuǎn)移中起到重要作用[19]。

腐螺旋菌科（Saprospiraceae）革蘭氏染色陰性，有機(jī)化能營養(yǎng)型微生物，呼吸代謝利用分子氧做最終的電子受體，故對溶解氧含量有一定的要求[20]。腐螺旋菌科（Saprospiraceae）在空白組中相對豐度為6.47%，電生物反應(yīng)器中的相對豐度為6. 55%。范麗莎[21]研究發(fā)現(xiàn)三維電極耦合曝氣生物濾池中有小囊菌屬（Nanno-cystis）、腐螺旋菌屬（Saprospiraceae）、厭氧繩菌科（Anaerolineaceae）、黃桿菌屬（FLavobacterium）、噬氫菌屬（Hydrogenophaga）、噬酸菌屬（Acidovorax）等，這些細(xì)菌能產(chǎn)生胞外酶將大分子物質(zhì)進(jìn)行水解，有效降解三維電極中污染物轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物。

Cultivation等22]研究發(fā)現(xiàn)亞硝化螺旋菌屬在好氧條件下，可將氨氮氧化為亞硝酸鹽，同時(shí)獲得能量。另外，亞硝化單胞菌在細(xì)胞分裂過程中需消耗大量的氨，進(jìn)而提高了氨氮的去除效率。亞硝化螺旋菌屬在空白對照組中的相對豐度為0. 81%，在電生物反應(yīng)器中的相對豐度為1. 02%，由此可見，外加電場可刺激亞硝化螺旋菌的生長。張璐璐[23]研究了活性污泥法外加直流電場對木質(zhì)素處理效果，結(jié)果表明在低電流密度下（Flavobacterium）相對豐度顯著提高，該菌屬被認(rèn)為具有電化學(xué)活性，能夠降解大量有機(jī)物。

因此，由以上樣品相對豐度結(jié)果知，樣品AOE和MOE中的細(xì)菌豐度總體相對較高，但不同pH條件下電生物耦合反應(yīng)器中的微生物存在一定的差異。電生物耦合反應(yīng)器中外加電場的作用抑制了部分微生物繁殖，而對于適應(yīng)外加電場環(huán)境下的微生物增加了其生物膜通透性，促進(jìn)了微生物生長，加快了反應(yīng)速率，而新增或顯著提高的菌屬對有機(jī)物具有較強(qiáng)的去除能力，對體系中COD的去除具有強(qiáng)化促進(jìn)效應(yīng)。電生物反應(yīng)器中占比較高的優(yōu)勢菌群見表3。

4 結(jié)論

（1）多樣性分析結(jié)果顯示4個(gè)生物膜樣品的細(xì)菌的多樣性高低為MOC>MOE>AOE>AOC，說明通過對曝氣生物濾池施加適當(dāng)?shù)碾妷?，降低了微生物群落豐富度，但增加了微生物群落多樣性;同時(shí)COD的去除率提高了25. 09%，NH3-N的去除率提高了30. 32%。表明適當(dāng)?shù)碾妷嚎梢源龠M(jìn)微生物的生長，提高微生物的酶活性，加快反應(yīng)速率以提高污染物的去除率。

（2）在進(jìn)水pH值為7.0～7.5，極板間距10 cm，電壓2V的電生物反應(yīng)器中，微生物群落的優(yōu)勢種群主要包括浮游球衣菌（Sphaerotilus）（7.64%）、腐螺旋菌屬（Saprospiraceae）（5.47%）、熱單胞菌屬（Thermomonas）（5. 16%）、絲硫細(xì)菌（Thiothrir）（4.84%）、黃桿菌屬（Flavobacterium）（3.14%）、紅育菌屬（Rhod-oferar）（2.75%）、厭氧繩菌（Anaerolineaceae）（2.68%）、沙單胞菌（Arenimonas）（1.94%）、新鞘脂菌屬（Novosphingobum）（1.68%）、噬氫菌屬（ Hydrog-enophaga）（1.59%）、噬酸菌屬（Acidovoraz）（1.38%）、反硝化細(xì)菌（Dokdonella）（1.36%）等。

（3）在進(jìn)水pH值為7.5～8.O，極板間距10 cm，電壓2V的電生物反應(yīng)器中，微生物群落的優(yōu)勢種群主要包括腐螺旋菌科（Saprospz'raceae）（6.55%）、絲硫細(xì)菌（Thiothrir）（5.58%）、厭氧繩菌（A na erolz'neaceae）（5.29%）、黃桿菌屬（Flavobacterium）（3.59%）、浮游球衣菌（Sphaerotilus）（3.58%），紅育菌屬（Rhodoferax）（2.67%）、噬氫菌屬（Hydrogenophaga）（2.45%）、熱單胞菌屬（Thermomonas）（1.49%）、反硝化細(xì)菌（Dokdonel-la）（1.49%）、新鞘脂菌屬（Novosphingobum）（1.26%）、亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）（1.02%）等。

（4）嗜鹽海洋粘細(xì)菌（Huliangz'um）、陶厄氏菌屬（Thauera）、脫氯單胞菌屬（Dechloromonas）、銅綠假單胞菌屬（Pseudomonas）等菌屬對電壓比較敏感，不適合在外加電壓下生長;而適當(dāng)施加電壓可以促進(jìn)腐螺旋菌科（Saprospiraceae）、黃桿菌屬（Flavoba cterium）、噬氫菌屬（HydrogenoPhaga）、新鞘脂菌屬（Novosphingob-um）、亞硝化單胞菌（Nitro.somonas）等菌屬的生長。

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作者簡介：高慧娟（1994-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗廴九c環(huán)境污染控制。