AO+生物膜-水生植物生態(tài)系統(tǒng)對鄉(xiāng)村黑臭河水中的EDCs去除試驗(yàn)研究

梁路 湯潤芝 毛林強(qiáng) 張文藝

摘? ? 要：本研究針對鄉(xiāng)村黑臭河水內(nèi)分泌干擾物（EDCs）生態(tài)污染問題，設(shè)計(jì)了AO+生物-生態(tài)鄉(xiāng)村河道黑臭河水凈化裝置，在裝置中構(gòu)建了AO+生物膜-水生植物生態(tài)系統(tǒng)，分析了AO+生物膜-水生植物協(xié)同作用對EDCs（雌酮（E1）、雌二醇（E2）、雌三醇（E3）和乙炔基雌二醇（EE2））的去除特性，探求不同曝氣方式對EDCs的去除效果。結(jié)果表明：在水力停留時間（HRT）為9.38 h時，E1、E2、E3和EE2去除率分別為58.16%，60.41%，54.09%，56.73%，明顯高于HRT 7.82 h時的去除效果。模擬自然、持續(xù)曝氣、間歇曝氣3種狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析，持續(xù)曝氣狀態(tài)對EDCs的去除效果最佳。高通量454測序表明，水體微生物特性發(fā)生了改變，多種優(yōu)勢菌屬均有增加，進(jìn)一步證實(shí)了異養(yǎng)菌對EDCs的去除有顯著的強(qiáng)化作用。

關(guān)鍵詞：生物膜;水生植物;內(nèi)分泌干擾物;水生植物生態(tài)系統(tǒng)

中圖分類號：X171? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.10.001

Study on the Removal of Endocrine Disruptors from Rural Black Smelly River Water by Biofilm- Aquatic Plant Ecosystem

LIANG Lu1， TANG Runzhi1，2， MAO Lingqian1， ZHANG Wenyi1

（1. School of Environmental & Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou， Jiangsu 213164， China; 2. Changzhou Civil Municipal Engineering Design & Research Institute Company Limited， Changzhou， Jiangsu 213003，China）

Abstract： Based on rural black smelly river endocrine disruptors （EDCs） ecological pollution， designed the AO+ biological-ecological village river black smelly water purification plant， built in the device AO+biofilm - aquatic plant ecosystem， analyzed the AO+ biofilm-aquatic plants synergy of EDCs [estrone （E1）， estradiol （E2） and estriol （E3） and ethinyl estradiol （EE2）] to remove features， explore different aeration methods on EDCs removal effect. The results showed that the removal rates of E1， E2， E3 and EE2 were 58.16%， 60.41%， 54.09% and 56.73% respectively when the hydraulic residence time （HRT） was 9.38 h， which were significantly higher than that of HRT 7.82 h. The result analysis of simulated natural， continuous aeration and intermittent aeration showed that continuous aeration had the best removal effect on EDCs. High-throughput 454 sequencing showed that the microbial characteristics of the water body were changed and a variety of dominant bacteria were increased， which further confirmed the significant strengthening effect of heterotrophic bacteria on the removal of EDCs.

Key words： biofilm; aquatic plants; endocrine disruptor; aquatic plant ecosystem

由于工業(yè)化的迅速發(fā)展，新興產(chǎn)品層出不窮，如農(nóng)業(yè)中的除草劑和殺蟲劑[1]、醫(yī)療行業(yè)中的多種激素和抗癌類藥物、工業(yè)中的新型塑料產(chǎn)品等，這些產(chǎn)品往往含有環(huán)境EDCs。在日常生活中，使用的表面活性劑、洗滌產(chǎn)品和消毒液也含有EDCs[2]。現(xiàn)如今，各國學(xué)者對于EDCs的危害已有一定研究，這些EDCs通常會影響人體內(nèi)分泌系統(tǒng)[3-4]，如史熊杰等[5]在研究環(huán)境EDCs毒理學(xué)時，發(fā)現(xiàn)EDCs在環(huán)境中即使擁有較低的暴露濃度，也會導(dǎo)致生物體生殖器官異常、生殖技能缺失[6-7]，內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂[8]，種群退化[9]。EDCs中的固醇類激素[10]會對生物體生殖系統(tǒng)造成較大危害，如雌酮（E1）、雌二醇（E2）、雌三醇（E3）和乙炔基雌二醇（EE2）。本研究以固醇類激素為主要研究對象，運(yùn)用厭氧好氧工藝法（Anoxic Oxic）及生物膜-水生植物協(xié)同作用對鄉(xiāng)村黑臭河水中的EDCs進(jìn)行去除試驗(yàn)，探究生態(tài)河道裝置對黑臭河水中EDCs的消納、分解能力，旨在為后續(xù)深入研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)試劑及儀器

試驗(yàn)試劑及儀器見表1、表2。

1.2 試驗(yàn)裝置及水樣來源

本研究試驗(yàn)裝置如圖1所示，生物-生態(tài)模擬鄉(xiāng)村河道的裝置尺寸為3.2 m×0.51 m×0.82 m，水深約為0.50 m，淤泥厚度約0.20 m。在裝置中布置立體彈性填料和人工水草，并種植圓幣草、水菖蒲、再力花、香蒲、水蔥、蘆葦。其AO工藝的進(jìn)水為配置的含有E1、E2、E3和EE2這4種EDCs的黑臭河水。設(shè)計(jì)HRT為9.38 h和7.82 h兩種試驗(yàn)負(fù)荷，探究不同曝氣方式對EDCs的凈化效果[11]。經(jīng)AO工藝處理后，其出水為本試驗(yàn)的主要裝置進(jìn)水，其數(shù)值如表3所示。

1.3 檢測方法

1.3.1 EDCs檢測方法 水體中EDCs的測定主要通過水樣預(yù)處理、衍生化以及GC-MS處理分析[12]。

（1）預(yù)處理

預(yù)處理如圖2所示。

（2）衍生化

在1.5 mL色譜進(jìn)樣瓶里加入100 μL的上述溶液，而后使用高純度氮?dú)鈱⑵浯蹈?，接著在進(jìn)樣瓶中加入25 μL BSTFA和50 μL吡啶，等待其反應(yīng)并吹干，最后加入二氯甲烷和正己烷體積比為1：4的進(jìn)樣溶劑以及10 μL濃度為0.01 g·L-1的內(nèi)標(biāo)，取1 μL注入GC-MS分析。

（3）GC-MS分析條件

試驗(yàn)中E1、E2、E3、EE2選用氣質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行測定，色譜柱為TG-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm），氣相條件如下：

GC：以氦氣為載氣，流速1 mL·min-1;不分流方式進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度280 ℃，進(jìn)樣體積1 μL柱初始溫度為50 ℃，保持2 min，以12 ℃·min-1程序升溫至260 ℃，保持8 min，再以3 ℃·min-1升溫至280 ℃，保持5 min。

MS：接口溫度280 ℃，傳輸線溫度300 ℃，離子源為EI源，溫度250 ℃，電子轟擊能量70 eV，溶劑延遲時間12 min，以全掃描模式定性，掃描范圍50～600 m·z-1，以選擇離子掃描模式定量。

土壤中磺胺嘧啶采用紫外分光光度計(jì)測定，以氫氧化鈉溶液作為提取液，在震蕩箱中恒溫震蕩24 h后，靜置取上清液為待測液，測定其在254 mm波長下的吸光度。

根據(jù)其衍生產(chǎn)物的特征碎片離子分布特征從而來確定目標(biāo)產(chǎn)物的實(shí)際濃度，衍生產(chǎn)物的實(shí)際參數(shù)如表4所示。

1.3.2 高通量454測序 土壤中微生物種群用高通量454焦磷酸測序，采集農(nóng)田土自然風(fēng)干，過60目篩，模擬制備2，4-二氯苯酚濃度為30 mg·kg-1的土壤樣品200 g，向土壤中施加生物菌肥5 g，同時加入135 mL蒸餾水，10 h后用高通量454焦磷酸測序，委托上海天昊生物科技有限公司檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 HRT對EDCs去除特性分析

考察了2種HRT（9.38 h和7.82 h）下的生態(tài)河道裝置對EDCs的去除效果，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知，生態(tài)河道中選用不同曝氣方式對水體中EDCs的去除效果影響較大，其中持續(xù)曝氣的生態(tài)河道裝置對EDCs的去除效果最好，其次為間歇曝氣，去除效果最差的為自然狀態(tài)下的生態(tài)河道。可見溶解氧為影響去除率的主要因素，去除水體中的EDCs主要依靠整個水環(huán)境對其吸附和生物降解作用，通常情況下，微生物的降解作用為主要的去除途徑，其中好養(yǎng)微生物的降解量約占生物總降解量的60%～70%，而厭氧環(huán)境下的EDCs降解約占20%～30%，剩下的為兼性厭氧菌所降解[13]。當(dāng)水體中溶解氧濃度較高時，其對應(yīng)的活性污泥量較大，而活性污泥具有松散，比表面積大的特點(diǎn)，對水體中EDCs有著較好的吸附作用，且在一定范圍內(nèi)提高溶解氧含量可以增加生物量，進(jìn)一步提高對EDCs的去除效率，因此持續(xù)曝氣生態(tài)河道模擬裝置的出水EDCs濃度較低。間歇曝氣的生態(tài)河道中，微生物的凈化作用較強(qiáng)，因?yàn)殚g歇曝氣使得水體中有部分厭氧環(huán)境，而由研究表明，微生物在厭氧環(huán)境中降解含氮有機(jī)物的硝化階段，才是EDCs被降解的關(guān)鍵時段[14]，氨氧化細(xì)菌在降解EDCs時，其降解能力比異養(yǎng)菌強(qiáng)[15-16]，但其活性污泥對EDCs的吸附量較少，因此間歇曝氣的凈化效果一般[17]。相比于HRT為7.82 h的EDCs去除率，HRT為9.38 h的EDCs去除率較高，由此可見HRT越長，去除率越高，且不同干擾物之間的去除率差異較小，究其原因，主要為水流速度較大，影響微生物的降解作用。

2.2 曝氣方式對EDCs去除率的影響

分別考察自然狀態(tài)、持續(xù)曝氣和間歇曝氣狀態(tài)下，生態(tài)河道裝置對EDCs的去除效果，結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

由圖5可知，當(dāng)HRT為9.38 h時，自然狀態(tài)的生態(tài)河道裝置中E1的去除率一般，為58.16%;E2去除率最高，為60.41%;E3和EE2的去除率較低，為54.09%和56.37%。當(dāng)HRT為7.82 h時，自然狀態(tài)的生態(tài)河道裝置中E1、E2、E3和EE2去除率分別為46.52%，48.33%，47.85%，45.11%。由于自然狀態(tài)下生態(tài)河道中溶解氧濃度較低，好氧微生物活性較差，因此對EDCs降解效果并不顯著。由圖6可知，在討論不同EDCs的去除差異時，2種HRT下的持續(xù)曝氣生態(tài)河道裝置對EDCs的去除效果與自然狀態(tài)下的較相似。HRT1時E1的去除率較高，為63.56%;E2去除率最高，為72.66%;E3和EE2的去除率較低，分別為59.79%，60.58%。HRT2時E1、E2、E3和EE2去除率分別為50.85%，58.12%，54.78%，48.46%。

由圖7可知，間歇曝氣的生態(tài)河道裝置對不同EDCs的去除能力由大到小為：E2> E1 > EE2 > E3。由此可見：E1處理效果一般，因?yàn)镋2較易氧化轉(zhuǎn)化成E1;據(jù)任海燕等[21]對EE2降解中間產(chǎn)物進(jìn)行質(zhì)譜分析推測可知，EE2在生物降解時會有部分E1產(chǎn)生，這就可能導(dǎo)致E1沒有E2降解率高。并且E2擁有親脂疏水的特性，使得水體中的E2含量較少，相當(dāng)一部分被吸附在底泥中。E3去除率較低主要原因?yàn)椋篍2在生物降解過程中，部分E2氧化轉(zhuǎn)化成E1，而E1通過水和作用又轉(zhuǎn)化為E3[18]。EE2較難去除，與聶亞峰等[19]在討論城市污水處理廠中EDCs的行為和歸趨時的結(jié)論相似，EE2去除率較低，原因是微生物對其降解具有一定的局限性，因?yàn)镋E2擁有乙炔基，具有空間阻礙作用，使得酶活性表達(dá)受阻，且EE2擁有較強(qiáng)的雌情活力[20]，在厭氧階段生物去除EE2時，會使其由結(jié)合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，難以去除。

2.3 基于EDCs生物降解的生物膜-水生植物生態(tài)系統(tǒng)微生物特性分析

經(jīng)過35 h生物膜-水生植物生態(tài)系統(tǒng)處理后，微生物群落門水平發(fā)生變化，如圖8所示。由該圖可以看出相對豐度>1%的僅有4類菌門，分別為Proteobacteria（變形菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）和Chloroflexi（綠彎菌門）。其中，變形菌門豐度相比處理之前增加了近13%，厚壁菌門增加了近15.6%，綠彎菌門則減少了近14%。同時微生物群落屬水平也發(fā)生了變化（見圖9），相對豐度>1%的菌門由原來的9類增加到16類，并且菌屬類型也發(fā)生了改變。其中，變化最大的是Acinetobacter（不動桿菌屬），相比處理前增加了9.16%，成為絕對優(yōu)勢菌屬。而Hydrogenophaga（氫噬胞菌屬）增加了1.6%，Pseudomonas（假單胞菌屬）由0.05%增至0.45%，此外，還出現(xiàn)Comamonas（叢毛單胞菌，3.3%）、Proteocatella（1.4%）、Brevundimonas（短波單胞菌屬，5.0%）等優(yōu)勢菌屬。不動桿菌屬、假單胞菌屬都是具有硝化反硝化作用的菌屬[22]，此類微生物不僅能完成有機(jī)氮和無機(jī)氮的硝化過程，而且均可在缺氧或好氧條件下將亞硝酸根離子或硝酸根離子還原為氮?dú)?叢毛單胞菌可以進(jìn)行短程硝化、反硝化作用。這表明不動桿菌屬、假單胞菌屬和叢毛單胞菌等脫氮優(yōu)勢菌屬對系統(tǒng)中雌激素的去除起到了促進(jìn)作用，進(jìn)一步證實(shí)了異養(yǎng)菌對EDCs的去除有顯著的強(qiáng)化作用。

3 結(jié) 論

（1）在HRT為9.38 h時，E1和E2擁有親脂疏水的特性，大部分被吸附在底泥中，而EE2在生物降解時會有部分E1產(chǎn)生，其去除率為58.16%; E2去除率最高，為60.41%;E3為E1和E2分解時的中間產(chǎn)物，因此其去除率較低，僅為54.09%;EE2擁有乙炔基且雌情活力較強(qiáng)，使其難以降解，去除率為56.73%。在HRT為7.82 h時，EDCs去除效果較差，E1、E2、E3、EE2去除率分別為46.52%，48.33%，47.85%，45.11%。

（2）在模擬自然狀態(tài)、間歇曝氣、持續(xù)曝氣3種狀態(tài)中，持續(xù)曝氣使得水體中的活性污泥較多，活性污泥具有松散、比表面積大的特點(diǎn)，導(dǎo)致活性污泥對EDCs的吸附量較多，當(dāng)HRT為9.38 h時，E1、E2、E3和EE2去除率分別為63.56%、72.66%、59.79%、60.58%。比自然狀態(tài)和間歇曝氣對EDCs去除效果更好。

（3）對EDCs生物降解的微生物特性分析表明，不動桿菌屬增加了9.16%、假單胞菌屬增加了0.4%，并出現(xiàn)了叢毛單胞菌（3.3%）、短波單胞菌屬（5.0%）等優(yōu)勢菌屬，這些菌屬都具有硝化、反硝化作用，表明這些脫氮優(yōu)勢菌屬對系統(tǒng)中雌激素的去除起到了促進(jìn)作用，進(jìn)一步證實(shí)了異養(yǎng)菌對EDCs的去除有顯著的強(qiáng)化作用。

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收稿日期：2020-03-10

基金項(xiàng)目：水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2017ZX07202-004）

作者簡介：梁路（1995—），男，甘肅天水人，在讀碩士生，主要從事水污染控制與生態(tài)修復(fù)研究。

通訊作者簡介：張文藝（1968—），男，安徽池州人，博士，教授，主要從事水污染控制與生態(tài)修復(fù)研究。