Ni2+和金霉素共存對序批式反應(yīng)器性能、微生物活性及其微生物群落的影響*

武原原,李姍姍,吳淑妍,潘云浩,于娜玲,趙長坤,高孟春**

(1.中國海洋大學(xué)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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

Ni2+作為一種常見重金屬離子，由于其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于電鍍、電池制造、催化劑和涂料等行業(yè)。Ni2+的需求量隨著工業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展迅速增長，對Ni2+的過度使用導(dǎo)致大量的Ni2+流入生活污水和工業(yè)廢水，隨后進(jìn)入污水生物處理系統(tǒng)中[1]。微量的Ni2+有利于細(xì)菌的繁殖，但過量的Ni2+會對細(xì)菌生長、細(xì)胞內(nèi)代謝和細(xì)胞外轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生明顯的抑制作用[2-3]。Ni2+具有較高的溶解性，可進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)影響微生物蛋白的結(jié)構(gòu)和功能[4-5]。Ni2+能夠影響活性污泥的結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響生物脫氮效率[6-7]?？股卦谛竽翗I(yè)中被廣泛應(yīng)用，用來預(yù)防和治療動物疾病。金霉素(Chlortetracycline,CTC)是一種性能優(yōu)良的廣譜抗生素，因其效果好、成本低而經(jīng)常被用作牲畜飼料添加劑[8-10]。CTC具有較高的水溶性，在使用過程中由于動物對其吸收能力有限，約30%～90%的CTC隨著糞便和尿液被排放到水環(huán)境中[11]，并且已在不同水體中不同程度地檢測到其殘留，含CTC的廢水不可避免地流入污水生物處理系統(tǒng)中[12]。CTC具有抗菌特性，能抑制微生物活性[13]，改變微生物群落結(jié)構(gòu)[14-15]。CTC還能抑制細(xì)胞膜上甾醇的合成，從而影響細(xì)胞膜的通透性，使細(xì)菌屏障及運(yùn)輸物質(zhì)功能受到阻礙。CTC可以進(jìn)一步抑制革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的生長[16]。由于污水生物處理系統(tǒng)中污水成分來源復(fù)雜，導(dǎo)致Ni2+和CTC的復(fù)合污染頻繁發(fā)生。CTC作為一種強(qiáng)螯合劑，含有大量的電子供體官能團(tuán)，可以與缺電子的Ni2+在水中會發(fā)生絡(luò)合作用[17-18]。這種相互作用會改變Ni2+和CTC原有的毒性效應(yīng)，因此研究Ni2+和CTC共存對污水生物處理系統(tǒng)的影響是有必要的。

近年來，Ni2+和CTC的生物毒性對生物反應(yīng)器的影響已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。Gikas等[2]發(fā)現(xiàn)濃度低于5 mg/L的Ni2+可刺激微生物的生長，并且可以增強(qiáng)生物反應(yīng)器對污染物的去除能力。Khor等[19]研究了Ni2+對序批式反應(yīng)器(SBR)性能的影響，發(fā)現(xiàn)Ni2+可以抑制SBR中化學(xué)需氧量(COD)和氮的去除。Di Capua等[20]發(fā)現(xiàn)Ni2+對自養(yǎng)反硝化反應(yīng)器的性能表現(xiàn)出明顯的抑制作用。Chen等[21]研究了CTC和抗生素抗性基因的動態(tài)變化，以及抗性基因和微生物群落之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)CTC抗性基因的減少與微生物群落密切相關(guān)。Wen等[22]發(fā)現(xiàn)不同濃度的CTC能影響反應(yīng)器內(nèi)抗生素抗性基因和微生物群落的變化與演替，移動基因元件和微生物類群與抗生素抗性基因的增殖有顯著的關(guān)系。然而，目前有關(guān)Ni2+和CTC共存對SBR性能、微生物酶活性、毒性和微生物群落的影響的研究卻未有報道。因此，本文主要研究了Ni2+和CTC共存對SBR中COD和氮去除性能、活性污泥耗氧速率、脫氮速率、微生物酶活性和微生物群落的影響，并評價了Ni2+和CTC對活性污泥的生物毒性。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運(yùn)行條件

本研究采用尺寸和運(yùn)行方式完全相同的4個有機(jī)玻璃管制成的SBR作為生物反應(yīng)裝置，將接種污泥(Seed sludge)加入4個SBR中，保證每個SBR中活性污泥的污泥濃度基本相同。其有效高度為50 cm，內(nèi)徑為14 cm，有效容積為7.7 L。進(jìn)水通過蠕動泵進(jìn)入SBR，處理后的出水通過反應(yīng)器中間的電磁閥出口流出。SBR由時間繼電器自動控制，每日運(yùn)行4個周期，每個周期6 h，按缺氧好氧交替反應(yīng)時間運(yùn)行，具體運(yùn)行參數(shù)如下：進(jìn)水階段5 min，缺氧階段60 min，好氧階段180 min，缺氧階段60 min，沉淀階段30 min，出水階段5 min和閑置階段20 min。在好氧階段，空氣通過曝氣泵從反應(yīng)器底部的砂芯微孔曝氣頭通入，并使用氣體轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量，維持溶解氧在2 mg/L以上。磁力攪拌器在缺氧階段運(yùn)行，確保活性污泥和水充分混合，反應(yīng)器中溶解氧濃度小于0.5 mg/L。SBR的容積交換率為50%，反應(yīng)器定期排出一定量的污泥以使污泥齡保持在20 d左右。

1.2 接種污泥及水質(zhì)

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 Ni2+和CTC共存對SBR性能的影響

圖1 Ni2+和CTC共存對SBR性能的影響Fig.1 Combined effects of Ni2+ and CTC on the SBR performance

2.2 Ni2+和CTC共存對活性污泥比耗氧速率和脫氮速率的影響

圖2表示長期暴露條件下Ni2+和CTC共存對活性污泥比耗氧速率(SOUR)和脫氮速率的影響。由圖2(a)可知，在進(jìn)水中未加入Ni2+和CTC時的第17天，4個SBR中活性污泥SOUR基本一致，此時各反應(yīng)器活性污泥中微生物的代謝活性基本相同。17 d以后，分別向各反應(yīng)器進(jìn)水中持續(xù)添加相應(yīng)濃度的Ni2+和CTC。在1～85 d的運(yùn)行過程中，SBR0中SOUR仍維持穩(wěn)定，表明實驗期間對照組中SOUR基本保持穩(wěn)定。在第85天，SBRNi、SBRCTC和SBRNi+CTC中SOUR均出現(xiàn)了降低，分別下降了15.34%、9.15%和16.49%，表明10 mg/L Ni2+單獨存在及其與5 mg/L CTC共存能夠抑制活性污泥中好氧微生物的代謝活性，這主要是由于重金屬能夠破壞細(xì)菌內(nèi)的功能蛋白，從而影響其代謝。從圖2(b)和圖2(c)可以看出，在進(jìn)水中未加入Ni2+和CTC時，4個SBR中SAOR和SNOR基本一致，此時活性污泥中氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的代謝活性基本相同。SBR0在1～85 d的運(yùn)行過程中基本保持不變，而SBRNi、SBRCTC和SBRNi+CTC中SAOR在第85天分別下降了66.72%、8.05%和77.47%，SNOR分別下降了54.55%、7.43%和69.90%，表明長期暴露條件下，10 mg/L Ni2+單獨存在及其與5 mg/L CTC共存均對氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性產(chǎn)生抑制作用，且二者共存呈現(xiàn)協(xié)同抑制作用。亞硝酸鹽氧化菌(NOB)對Ni2+的耐受性優(yōu)于氨氧化菌(AOB)。由圖2(d)、(e)可知，進(jìn)水Ni2+和CTC濃度為0 mg/L的SBR中活性污泥SNIRR和SNRR在1～85 d的運(yùn)行過程中基本保持穩(wěn)定，而SBRNi、SBRCTC和SBRNi+CTC中SNIRR和SNRR隨運(yùn)行時間的延長而逐漸降低。在第85天，SNIRR分別下降了54.11%、4.69%和65.25%，SNRR分別下降了59.02%、7.76%和66.37%。結(jié)果表明10 mg/L Ni2+單獨存在及其與5 mg/L CTC共存均能抑制亞硝酸鹽還原菌和硝酸鹽還原菌的代謝活性，且二者共存呈現(xiàn)協(xié)同抑制作用。這主要是由于Ni2+破壞了某些微生物酶的組成和結(jié)構(gòu)，降低了硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽氧化還原酶的豐度，從而影響到對氮的去除效果[26]。Yang等[27]發(fā)現(xiàn)土霉素和Cu2+共存對厭氧氨氧化系統(tǒng)存在拮抗抑制作用，且隨土霉素比例的增加逐漸降低了Cu2+單獨存在時對該系統(tǒng)的抑制作用。而Guo等[28]研究了Cu2+與紅霉素共存對短程硝化的影響，發(fā)現(xiàn)Cu2+與紅霉素對短程反硝化的影響呈現(xiàn)協(xié)同抑制作用，同時還發(fā)現(xiàn)協(xié)同抑制作用主要依賴于Cu2+的含量。這種區(qū)別可能是由于不同類型的抗生素和重金屬離子作用而導(dǎo)致的。在本研究中，Ni2+和CTC也有相似的情況。Ni2+和CTC共存對脫氮速率呈現(xiàn)協(xié)同抑制作用。Ni2+和CTC對細(xì)菌的作用靶位不同，導(dǎo)致Ni2+與CTC的結(jié)合會產(chǎn)生更多的毒性。協(xié)同毒性主要依賴于Ni2+的含量，Ni2+對活性污泥中微生物的脅迫作用比CTC更明顯。Ni2+與CTC共存對硝化和反硝化活性的抑制作用隨著時間的增加而逐漸增大，且Ni2+和CTC共存對細(xì)菌的毒性也高于Ni2+和CTC單獨存在時的毒性。

((a)SOUR；(b)SAOR；(c)SNOR；(d)SNIRR；(e)SNRR，“*”表示與未投加Ni2+ 和CTC 的對照組相比具有顯著性差異(p<0.05)，誤差線代表三次實驗測量值的標(biāo)準(zhǔn)差。(a)SOUR,(b)SAOR,(c)SNOR,(d)SNIRR,and (e)SNRR.Asterisks indicate the statistical difference (p<0.05)from the microbial activity at 0 mg/L Ni2+ and CTC.Error bars represent standard deviations of triplicate measurements.)圖2 Ni2+和CTC共存對活性污泥比耗氧速率和脫氮速率的影響Fig.2 Combined effects of Ni2+ and CTC on SOUR and nitrogen removal rate

2.3 Ni2+和CTC共存對微生物酶活性的影響

由于微生物的硝化反硝化作用與相應(yīng)的微生物酶活性密切相關(guān)，本研究探討了Ni2+和CTC共存對微生物酶活性的影響(見圖3)。DHA主要參與氧化磷酸化過程，在有機(jī)物生物降解過程中起關(guān)鍵作用。由圖3(a)可知，在進(jìn)水中未加入Ni2+和CTC時SBR0中DHA始終保持穩(wěn)定，在1～85 d僅下降了6.48%。SBRNi、SBRCTC和SBRNi+CTC中DHA分別下降了20.57%、9.68%和19.44%。SBRNi中的DHA始終低于SBRCTC，表明10 mg/L Ni2+的毒性高于5 mg/L CTC。與Ni2+和CTC單獨存在相比，可以推斷出Ni2+對DHA的影響比CTC大，在二者共存條件下起主要作用。Yang等[29]發(fā)現(xiàn)在有機(jī)物降解過程中，DHA可以通過催化脫氫反應(yīng)去除有機(jī)物中的氫原子。由于DHA能準(zhǔn)確反應(yīng)活性污泥中微生物的活性，DHA變化情況與SOUR相一致，表明Ni2+通過抑制DHA活性影響活性污泥的SOUR，從而影響有機(jī)物的去除。從圖3(b)和圖3(c)可以看出，在1～85 d，SBR0中AMO和NOR的活性均保持穩(wěn)定。SBR0的AMO和NOR活動分別下降了2.52%和3.55%。SBRNi中的AMO和NOR分別下降了62.54%和58.06%。SBRCTC的AMO和NOR分別下降了6.41%和3.63%。AMO和NOR的變化表明10 mg/L Ni2+對NOR和AMO活性的抑制作用大于5 mg/L CTC。SBRNi+CTC中AMO和NOR的活性分別下降了71.25%和66.02%。與SBRNi和SBRCTC中AMO和NOR下降的活性相比，SBRNi+CTC中AMO和NOR活性始終更低，表明Ni2+和CTC共存對AMO和NOR的抑制率高于二者單獨存在對AMO和NOR的抑制率，二者具有協(xié)同抑制作用。這與活性污泥SAOR和SNOR結(jié)果相一致，表明Ni2+和CTC共存抑制了氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的微生物酶活性，從而影響了氨氧化和亞硝酸鹽氧化過程。由圖3(d)和圖3(e)可知，進(jìn)水Ni2+和CTC濃度為0 mg/L的SBR中活性污泥的NIR和NR活性在1～85 d的運(yùn)行過程中基本保持穩(wěn)定，僅下降了2.79%和2.83%。SBRNi、SBRCTC和SBRNi+CTC中NR分別下降了46.02%、3.71%和58.40%，NIR分別下降了54.00%、5.87%和70.17%。以上結(jié)果表明，10 mg/L Ni2+對NIR和NR活性的抑制作用大于5 mg/L CTC。與SBRCTC和SBRNi中NIR和NR的活性下降相比，SBRNi+CTC中NIR和NR的活性始終更低，表明Ni2+和CTC共存對NIR和NR的抑制率高于二者單獨存在對NIR和NR的抑制率，二者具有協(xié)同抑制作用。這與活性污泥SNIRR和SNRR結(jié)果相一致，表明Ni2+和CTC共存抑制了反硝化菌的微生物酶活性，從而抑制了硝酸鹽還原和亞硝酸鹽還原過程。

((a)DHA；(b)AMO；(c)NOR；(d)NIR；(e)NR，“*”表示與未投加Ni2+ 和CTC 的對照組相比具有顯著性差異(p<0.05)，誤差線代表三次實驗測量值的標(biāo)準(zhǔn)差。(a)DHA,(b)AMO,(c)NOR,(d)NIR,and (e)NR.Asterisks indicate the statistical difference (p<0.05)from the microbial activity at 0 mg/L Ni2+ and CTC.Error bars represent standard deviations of triplicate measurements.)圖3 Ni2+和CTC共存對微生物酶活性的影響Fig.3 Combined effects of Ni2+ and CTC on microbial enzymatic activities

2.4 Ni2+和CTC對活性污泥的毒性評價

由于Ni2+和CTC對活性污泥的微生物酶活性有明顯的抑制作用，因此評價Ni2+和CTC對活性污泥的生物毒性至關(guān)重要(見圖4)。ROS的生成量被作為評估NPs生物毒性的重要指標(biāo)，LDH的釋放量被作為評估細(xì)胞膜完整性的標(biāo)志。從圖4(a)可以看出，SBR0和SBRCTC的活性污泥ROS生成量基本相同，SBR0和SBRCTC的ROS生成量分別增加了3.17%和7.72%，表明5 mg/L CTC對活性污泥沒有明顯的毒性作用。然而，SBRNi中活性污泥的ROS生成量顯著增加，表明10 mg/L Ni2+可以促進(jìn)微生物產(chǎn)生更多的ROS。與SBR0相比，SBRNi中活性污泥ROS的產(chǎn)生明顯增加了55.81%。SBRNi+CTC中活性污泥ROS的生成量增加了66.23%，表明在長期暴露條件下10 mg/L Ni2+單獨存在以及和5 mg/L CTC共存均能促進(jìn)活性污泥產(chǎn)生ROS，二者共存對ROS的產(chǎn)生呈現(xiàn)協(xié)同促進(jìn)作用。ROS的增加會打破氧化和抗氧化的動態(tài)平衡，從而引起生物體的細(xì)胞毒性[30]。由圖4(b)可知，與SBR0比較，SBRCTC的LDH釋放量無明顯變化。在SBR0和SBRCTC中，活性污泥的LDH釋放量僅增加了4.52%和7.72%。而SBRNi和SBRNi+CTC中分別增加了59.11%和75.42%，表明在長期暴露條件下10 mg/L Ni2+單獨存在以及和5 mg/L CTC共存均能促進(jìn)活性污泥產(chǎn)生LDH，二者共存對LDH的釋放呈現(xiàn)協(xié)同促進(jìn)作用，從而破壞了細(xì)胞膜的完整性，影響了活性污泥降解氨氮和有機(jī)物的性能。

((a)ROS production；(b)LDH release，“*”表示與未投加Ni2+ 和CTC 的對照組相比具有顯著性差異(p<0.05)，誤差線代表三次實驗測量值的標(biāo)準(zhǔn)差。(a)ROS production,(b)LDH release.Asterisks indicate the statistical difference (p<0.05)from the microbial activity at 0 mg/L Ni2+ and CTC.Error bars represent standard deviations of triplicate measurements.)圖4 Ni2+和CTC共存對活性污泥ROS產(chǎn)生量和LDH釋放量的影響Fig.4 Combined effects of Ni2+ and CTC on the ROS production and LDH release of activated sludge

2.5 Ni2+和CTC共存對微生物群落的影響

為了進(jìn)一步研究Ni2+和CTC共存對活性污泥中微生物群落的影響，取進(jìn)水中未加入Ni2+和CTC時的接種污泥Seed sludge(SS)和進(jìn)水中加入Ni2+和CTC后運(yùn)行至第85天的活性污泥樣品(S0、SCTC、SNi和SNi+CTC)進(jìn)行16S rDNA高通量測序，并將活性污泥樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，揭示Ni2+和CTC單獨存在及二者共存對活性污泥中微生物群落的影響。表1為上述5種樣品中微生物豐富度和多樣性的指數(shù)變化情況。所有污泥樣品的Good’s coverage指數(shù)均在0.998以上，表明所得到的序列庫包含SBR中的大部分微生物物種，能夠準(zhǔn)確地反映微生物群落豐富度和多樣性。SS、S0、SNi、SCTC和SNi+CTC的有效序列分別為791、834、330、490和377個操作分類單元(Operational taxonomic units,OTUs)。SS的Chao1、ACE、Simpson、Shannon指標(biāo)分別為845.5、866.5、0.874、5.892。用Chao1和ACE指數(shù)能夠反映微生物群落的豐富度，而Simpson和Shannon指數(shù)能夠表征微生物群落的多樣性。在進(jìn)水中未加入Ni2+和CTC的情況下，S0的Chao1、ACE、Simpson和Shannon指數(shù)高于SS，而在添加Ni2+和CTC的情況下，這四個指數(shù)均出現(xiàn)了降低，表明Ni2+和CTC的存在顯著降低了微生物的豐富度和多樣性。在樣品SNi、SCTC和SNi+CTC中，SNi+CTC的Chao1、ACE、Simpson和Shannon指數(shù)均低于SCTC，表明在Ni2+和CTC共存條件下，微生物群落的豐富度和多樣性與CTC單獨存在相比有所下降。此外，SNi+CTC中Chao 1和ACE指數(shù)均高于SNi中豐富度指數(shù)，而SNi+CTC中Simpson和Shannon指數(shù)均低于SNi中多樣性指數(shù)，表明10 mg/L Ni2+和5 mg/L CTC共存對微生物的豐富度的抑制具有拮抗作用，對微生物的多樣性的抑制具有協(xié)同作用。

表1 Ni2+和CTC共存對微生物豐富度和多樣性的影響Table 1 Combined effects of Ni2+ and CTC on the microbial richness and diversity

采用主坐標(biāo)分析(PCoA)，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育譜系分析上述5個污泥樣品的整體變化規(guī)律(見圖5)。污泥樣品SS、S0、SCTC、SNi和SNi+CTC的分離較為明顯。主坐標(biāo)1 (PC1)和主坐標(biāo)2 (PC2)分別占總菌群變化的40.84%和14.13%。SNi和SNi+CTC中的微生物群落聚集在一起。而SS、S0和SCTC中的微生物群落與SNi和SNi+CTC存在著明顯的差異，表明5 mg/L CTC對微生物群落結(jié)構(gòu)影響相對較小，而10 mg/L Ni2+以及Ni2+和CTC共存對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響較大。Venn圖可以用來研究Ni2+和CTC共存對微生物群落相似性和差異性的影響(見圖6)。SS、S0、SCTC、SNi和SNi+CTC中共有的OTUs為303，表明某些微生物可以在不同的條件下生存。在共有的OTUs中，優(yōu)勢菌門主要為Proteobacteria(46.53%)、Bacteroidetes(35.31%)、Chloroflexi(3.96%)、Planctomycetes(3.30%)、Acidobacteria(3.30%)、Verrucomicrobia(1.32%)和Cyanobacteria(1.32%)等。共有的OTUs在總OTUs(1 424)中的占比為21.28%。SS、S0、SNi、SCTC和SNi+CTC中特有的OTUs分別為204、131、2、23和45。特有的OTUs在總OTUs中的占比為28.44%，表明在每個反應(yīng)器中都存在著相對較多特有的微生物。添加Ni2+和CTC的反應(yīng)器中特有的OTUs數(shù)下降很多，表明Ni2+和CTC單獨存在以及二者共存均可導(dǎo)致活性污泥中微生物群落發(fā)生明顯變化。

圖5 Ni2+和CTC共存條件下微生物群落的主坐標(biāo)分析Fig.5 Principal co-ordinates analysis (PCoA)of microbial community in the presence of Ni2+ and CTC

圖6 Ni2+和CTC共存條件下微生物群落的韋恩圖Fig.6 Venn diagram of microbial community in the presence of Ni2+ and CTC

為了進(jìn)一步探討在添加10 mg/L Ni2 +和5 mg/L CTC后微生物群落的豐富度和多樣性的變化，研究了微生物群落相對豐度在門水平和屬水平的變化(見圖7)。在門水平上(見圖7(a))，5組活性污泥中為Cyanobacteria、Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Chloroflexi、Acidobacteria、Planctomycetes、Verrucomicrobia 和Nitrospirae等菌門為主要組成部分，據(jù)已有報道指出，這些菌門是污水處理廠活性污泥中主要的微生物種群[31]。SS中，Proteobacteria和Bacteroidetes的相對豐度最大，分別為35.51%和34.92%。與SS相比，SCTC中Bacteroidetes的相對豐度分別下降至24.93%，而Proteobacteria的相對豐度有所增加，增加到了70.89%。在SNi中也出現(xiàn)了相似的相對豐度變化結(jié)果，Bacteroidetes的相對豐度下降至28.31%，而Proteobacteria的相對豐度增加到了70.48%。然而，SNi+CTC中的相對豐度變化結(jié)果略有不同。與SS相比，SNi+CTC中Bacteroidetes的相對豐度下降至14.16%，而Proteobacteria的相對豐度升高到了47.06%。因此10 mg/L Ni2 +和5 mg/L CTC共存能對Proteobacteria相對豐度的升高產(chǎn)生拮抗抑制作用，對Bacteroidetes相對豐度的升高產(chǎn)生協(xié)同抑制作用。SNi和SNi+CTC中的其他菌門Chloroflexi、Acidobacteria、Planctomycetes和Actinobacteria的相對豐度與SS相比均降低，表明10 mg/L Ni2 +單獨存在及其與5 mg/L CTC共存能抑制以上幾種菌門的生長。Chloroflexi在硝化反硝化中起著至關(guān)重要的作用[32]，這可能是SNi和SNi+CTC脫氮性能變差的原因。在屬水平上(見圖7(b))，選擇了35個屬進(jìn)行研究。Nitrosomonas在SS中的相對豐度為0.44%，在S0中相對豐度上升到了0.77%，然后在SNi+CTC中下降到了0.03%。Nitrosomonas是一種常見的氨氧化菌屬，能夠在有氧條件下將氨態(tài)氮氧化為亞硝態(tài)氮[33]。Nitrospira在SS中的相對豐度為0.15%，在S0中相對豐度上升到了0.87%，然后在SNi+CTC中下降到了0.02%。Nitrospira是主要的亞硝酸鹽氧化菌屬，能夠在有氧條件下將亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮[34]。Ni2+和CTC共存明顯抑制了Nitrosomonas和Nitrospira的生長和繁殖，從而影響硝化過程。在添加Ni2+和CTC以后，反硝化菌屬Zoogloea、Comamonas、Dechloromonas和Flavobacterium的相對豐度出現(xiàn)了升高，表面上述菌屬對Ni2+和CTC具有較強(qiáng)的抵抗能力，而反硝化菌屬Thauera、Longilinea、Denitratisoma和Anaerolinea的相對豐度出現(xiàn)了降低，這些菌屬均能降低亞硝酸鹽和硝酸鹽[35-39]。上述結(jié)果表明，Ni2+和CTC對硝化菌屬和反硝化菌屬的生長及繁殖產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致與硝化及反硝化過程有關(guān)的微生物群落的相對豐度發(fā)生變化，進(jìn)而影響了SBR的脫氮效果。CandidatusAccumulibacter和CandidatusCompetibacter可以在缺氧階段利用儲存的糖原實現(xiàn)碳吸收以合成聚羥基脂肪酸，然后在好氧階段利用聚羥基脂肪酸促進(jìn)細(xì)胞增長并合成糖原[40]。在SNi+CTC中，CandidatusAccumulibacter和CandidatusCompetibacter的相對豐度分別從S0樣本的3.82%和3.14%下降到了0.04%和0.05%，表明Ni2+和CTC共存可以抑制缺氧階段微生物的碳吸收，進(jìn)而抑制糖原的合成。此外，Lu等[41]指出CandidatusAccumulibacter還與生物除磷有關(guān)。由于對Ni2+和CTC毒性的敏感，某些菌屬的相對豐度隨著10 mg/L Ni2+和5 mg/L CTC的添加而降低，如Haliscomenenobacter、Fluviicola、Nannocystis和Ohtaekwangia等。相反地，某些菌屬的相對豐度隨著Ni2+和CTC的添加出現(xiàn)了明顯的升高，如Bosea、Streptophyta、Flavihumibacter和Heliimonas等，表明這些菌屬對Ni2+和CTC的毒性有著較強(qiáng)的耐受性。以上結(jié)果表明，長期運(yùn)行條件下10 mg/L Ni2+和5 mg/L CTC共存能使活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生了較為明顯的變化。

((a)門水平；(b)屬水平。(a)Phyla level,(b)Genus level.)圖7 Ni2+和CTC共存條件下微生物群落在門和屬水平上的分類Fig.7 Microbial community of activated sludge at phyla and genus levels in the presence of Ni2+ and CTC

3 結(jié)語