焦化廢水對菌藻顆粒污泥的微生物群落及代謝基因的影響

黃雪穎，陳 威，王 旭，余 哲，柯新語，王家樂

(武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081)

0 引言

近年來，好氧顆粒污泥被證明在處理焦化廢水上有巨大潛力[9]。但好氧顆粒污泥需要高曝氣量，還會增大污水廠能耗。微藻可以將O2提供給異養(yǎng)好氧細(xì)菌，進(jìn)而促進(jìn)有機污染物的降解，并將細(xì)菌呼吸釋放的CO2用于自身的生長[10]。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11]采用一種低曝氣式的菌藻顆粒污泥系統(tǒng)(microalgae bacteria granular sluge,MBGS)用于污水處理中。文獻(xiàn)[12]基于序批式懸浮生物膜反應(yīng)器建立了一種菌藻共生體系，去除生活污水中的氮和磷，該系統(tǒng)對總氮的去除率為 69.91%，有良好的脫氮效果。文獻(xiàn)[13-14]研究了MBGS對市政和養(yǎng)殖廢水的去除情況，均取得了良好的效果。但對MBGS處理毒性焦化廢水的研究仍很少。因此，對于利用MBGS低能耗、高效地處理焦化廢水的研究是有意義的。

本文主要研究序批式反應(yīng)器(sequencing batch reatcor,SBR)中MBGS對焦化廢水處理的運行效能，并采用分子生物學(xué)手段對菌藻顆粒污泥中微生物的16S核糖體脫氧核糖核酸(ribosomal deoxyribonucleic acid,rDNA)基因進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴增，并構(gòu)建基因文庫,分析其細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性，并應(yīng)用宏基因組學(xué)對微生物的代謝功能進(jìn)行分析，探究MBGS焦化廢水中污染物去除機理。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行

采用SBR接種已經(jīng)培養(yǎng)成熟并長期穩(wěn)定的MBGS[13]，試驗用水采用焦化廢水。反應(yīng)器有效容積為2.5 L，接種污泥質(zhì)量濃度(mixed liquor volatile suspended solid,MLVSS)為1 000 mg/L。反應(yīng)器設(shè)有機械攪拌裝置，攪拌強度為175 r/min。反應(yīng)器外側(cè)設(shè)有燈帶，提供光照，光照強度為1 000 Lux，光照時間與曝氣時間一致。曝氣采用鼓風(fēng)曝氣，曝氣周期4 h，曝氣量3 min/L，好氧段溶解氧(dissolved oxygen,DO)為7.5～7.8 mg/L,厭氧段DO為0.2～0.8 mg/L。反應(yīng)器運行方式為A/O，進(jìn)水5 min，排水5 min，其中厭氧段4 h，好氧段4 h，水力停留8 h，無污泥排放。本試驗不額外投加碳源，投加碳酸氫鈉維持反應(yīng)器中pH為7.0～8.0。投加的菌藻顆粒污泥的平均粒徑為0.3 mm。

表1 進(jìn)水具體參數(shù) mg/L

本試驗用水取自湖北省咸寧市某煉鋼廠調(diào)節(jié)池，配水質(zhì)量濃度與該煉鋼廠一級生化池內(nèi)水質(zhì)相同，其進(jìn)水具體參數(shù)如表1所示。

1.2 分析方法

2 結(jié)果與討論

(a) 硝氮進(jìn)出水曲線圖 (b) 亞硝氮進(jìn)出水曲線圖

3 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

3.1 生物豐富度和多樣性

圖2 微生物Alpha多樣性指數(shù)

圖2為微生物Alpha多樣性指數(shù)。Ace指數(shù)和Chao指數(shù)是描述群落豐富度的指標(biāo)，其數(shù)量越高，代表更多的細(xì)菌豐富度。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)是呈現(xiàn)細(xì)菌多樣性的指標(biāo)，Shannon指數(shù)越高多樣性越高，而Simpson指數(shù)越高多樣性越少[17]。圖2中，稀疏曲線說明測序深度足夠；Ace指數(shù)和Chao指數(shù)曲線逐漸趨向平緩，說明MBGS中有較高的微生物豐富度；Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)曲線逐漸趨向平緩，說明MBGS有較為多樣的微生物群落。

由此說明，在焦化廢水處理過程中，菌藻顆粒污泥保持較高的微生物豐度與菌屬多樣性，證實了微生物具有抵御環(huán)境波動的能力。

3.2 物種群落組成分析

樣品中陶厄氏菌屬(Thauera, 28.47%)為優(yōu)勢菌屬，其次是黃桿菌屬(Flavobacterium，25.01%)、短波單胞菌屬(Brevundimonas，6.38%)、叢毛單胞菌屬(Comamonas，5.96%)、動膠菌屬(Zoogloea，5.66%)、奇球菌屬(Dechloromanas，2.26%)和異常球菌屬(Deinococcus,2.08%)等。

根據(jù)文獻(xiàn)[17-21]，以上菌屬皆有反硝化功能，而其中有些菌屬還有降解有毒物質(zhì)的功能。因此MBGS對焦化廢水有良好的COD與氨氮去除功能。Thauera可利用有機碳源作為生長基質(zhì)，促進(jìn)苯酚、芳烴類物質(zhì)的去除[17]。Flavobacterium可以降解萘、芘和其他種類的多環(huán)芳烴[19, 22]。Brevundimonas和Comamonas被歸因于有氧化學(xué)異養(yǎng)和芳香化合物降解功能細(xì)菌[23-24]。Zoogloea具有降解多種復(fù)雜有機物的能力[20]。

4 污染物降解機理

圖3 焦化廢水中苯酚的代謝途徑[25]

微生物降解主要作用基因為ligA[25]。圖3為焦化廢水中苯酚的代謝途徑。在MBGS中，基因ligA與Thauera、Flavobacterium、Brevundimonas、Comamonas相關(guān)。這些細(xì)菌在ligA所對應(yīng)的酶的催化作用下，將多環(huán)芳烴中的苯環(huán)開環(huán)，變成易降解有機物，因此易降解有機物被生物利用，進(jìn)行代謝。

5 氮循環(huán)代謝途徑

與文獻(xiàn)[31]中MBGS去除焦化廢水的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，硝化作用中的關(guān)鍵步驟氨單加氧酶Amo和羥胺氧化酶Hao在本次試驗樣品中均未被檢測到，說明本試驗的氮去除不是通過傳統(tǒng)的硝化與反硝化。這是因為文獻(xiàn)[32]的廢水中不含生物抑制作用的H2S和KSCN，所以對氮通路影響不大。

另外，分析發(fā)現(xiàn)焦化廢水中的硝基烷烴(nitroalkane)也參與了氮的代謝。Nitroalkane在酶1.13.12.16作用下被氧化為亞硝酸鹽[32]。

通過以上分析可知，MBGS有著優(yōu)秀的抗生物抑制性，能夠有效地處理焦化廢水，是一種有應(yīng)用前景的污水處理方法。

圖4 通過KEGG注釋的脫氮途徑

6 結(jié)論

(1)該體系的COD、氨氮和TIN的平均去除率分別為 74.01%、79.97%和57.39%，說明菌藻顆粒污泥對焦化廢水進(jìn)行了有效降解。

(2)經(jīng)高通量測序分析， MBGS保持較高的微生物豐富度與多樣性，能夠抵御環(huán)境的波動，Thauera和Flavobacterium為優(yōu)勢菌種。

(3)通過宏基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)開環(huán)基因ligA豐富度很高。

(4)菌藻顆粒污泥在處理焦化廢水時，主要的脫氮途徑是異化硝酸鹽還原作用和氨的解毒代謝。