納米ZnO脅迫下SBBR污染物去除性能及微生物群落響應(yīng)

高靜湉,胡 鵬,蔡怡婷,李衛(wèi)平,劉 超

納米ZnO脅迫下SBBR污染物去除性能及微生物群落響應(yīng)

高靜湉,胡 鵬,蔡怡婷,李衛(wèi)平*,劉 超

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為探究生物膜處理系統(tǒng)對(duì)納米ZnO的耐受性能,構(gòu)建序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)開展納米ZnO對(duì)生物膜的脅迫試驗(yàn).計(jì)算納米ZnO在生物膜中的累積量,研究其對(duì)有機(jī)物、氮、磷的去除性能影響,判定SBBR對(duì)納米ZnO的耐受閾值.通過(guò)測(cè)定生物量、微生物活性及群落結(jié)構(gòu)變化,分析微生物群落對(duì)納米ZnO的響應(yīng).結(jié)果表明:低濃度(1～10mg/L)納米ZnO對(duì)COD、NH4+-N、溶解性磷(SOP)去除無(wú)顯著影響,但5mg/L納米ZnO對(duì)微生物代謝速率和生物活性產(chǎn)生促進(jìn)作用.納米ZnO濃度逐增至50mg/L,對(duì)生物量、微生物活性抑制作用增強(qiáng),COD、NH4+-N、SOP去除率分別下降26.45%、57.83%和43.50%.納米ZnO的脅迫對(duì)SBBR中COD去除性能影響最小,對(duì)NH4+-N影響較大.COD所指示SBBR的納米ZnO耐受閾值為911.49mg,而NH4+-N、SOP所指示的耐受閾值為579.83mg.納米ZnO的脅迫降低了系統(tǒng)中微生物群落的多樣性,改變了群落結(jié)構(gòu)組成,Proteobacteria和Chlorofiexi相對(duì)豐度由21.09%和7.03%分別降至8.00%和2.60%,致使NH4+-N去除受到顯著抑制;Patescibacteria豐度由9.33%突增至56.64%,為有機(jī)物的去除起到至關(guān)重要的作用.污染物去除性能及微生物活性表明,SBBR生物膜系統(tǒng)對(duì)納米ZnO的耐受性強(qiáng)于活性污泥法.

SBBR；納米ZnO；耐受閾值；高通量測(cè)序；群落結(jié)構(gòu)

人工納米材料的發(fā)展為日常生活及工業(yè)產(chǎn)品等各領(lǐng)域帶來(lái)重大變革,其中納米金屬及其氧化物應(yīng)用最為廣泛[1-2].越來(lái)越多金屬納米顆粒隨著生活污水和工業(yè)廢水不可避免地排放至污水處理廠,且排放量逐年增加[2].王杜珈等[3]在污水處理廠中檢測(cè)到重金屬納米顆粒的數(shù)量濃度范圍為4.82×104～ 1.04×109個(gè)/L,其中Fe和Zn占重金屬納米顆?？倲?shù)的96.6%.經(jīng)過(guò)污水處理流程,金屬納米顆粒大部分(59.8%～70.2%)累積在污泥中[4].金屬納米材料在污泥中的累積,使污泥中金屬納米材料的濃度遠(yuǎn)高于進(jìn)水.因此,開展高濃度金屬納米材料對(duì)污水處理工藝的脅迫試驗(yàn),模擬其在污泥中的累積對(duì)污水處理性能影響研究尤為迫切.

以應(yīng)用廣泛的納米ZnO為例,國(guó)內(nèi)外已開展了金屬納米顆粒的暴露對(duì)污水處理的影響及對(duì)微生物的毒害研究[3-7].張凱等[5]研究發(fā)現(xiàn),10mg/L納米ZnO的暴露,對(duì)活性污泥產(chǎn)生了一定的毒害作用,顯著影響污泥沉降性能、呼吸速率、有機(jī)物降解速率等.Zheng等[6]研究表明,在厭氧-缺氧系統(tǒng)中,經(jīng)過(guò)50mg/L納米ZnO短期暴露0.33d后,TN去除率由初始的81.5%降至70.8%,出水磷酸鹽濃度升高至16.5mg/L.Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn),20和50mg/L納米ZnO對(duì)氨氧化酶和一氧化氮還原酶的活性以及NH4+-N向NO2的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生顯著抑制.雖有較多學(xué)者針對(duì)不同濃度納米ZnO暴露對(duì)污水處理效果及微生物群落影響開展了研究,但對(duì)金屬納米材料在污泥中累積下污水處理工藝的耐受閾值及微生物響應(yīng)報(bào)道較少.

與活性污泥相比,生物膜具有更密集、更強(qiáng)的微生物團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和更高的生物量濃度,生物膜中豐富的微生物菌群對(duì)難降解有機(jī)物有很強(qiáng)的降解能力,系統(tǒng)出水水質(zhì)好[8].抑制性或有毒化合物存在情況下,其更密實(shí)的胞外聚合物可保護(hù)細(xì)胞免受毒害[9-10].因此開展生物膜系統(tǒng)在納米ZnO脅迫下污染物去除性能及微生物群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究,探究生物膜處理系統(tǒng)對(duì)納米ZnO的耐受閾值,為生物膜處理系統(tǒng)進(jìn)水中納米ZnO濃度控制及含高濃度納米ZnO污水處理系統(tǒng)有效應(yīng)急管理提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行工序

實(shí)驗(yàn)用序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)由直徑6.5cm,高75cm的有玻璃制成,有效容積為13L.添加磁性生物載體,填充率為40%.采用曝氣泵進(jìn)行曝氣,由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量,使水中溶解氧的濃度保持在2～4mg/L.實(shí)驗(yàn)操作溫度在23℃左右.水力停留時(shí)間為24h,采用間歇式進(jìn)出水.

反應(yīng)器采用厭氧-好氧交替方式運(yùn)行,共運(yùn)行78d,每天運(yùn)行2個(gè)周期,掛膜啟動(dòng)階段(22d),將接種污泥與實(shí)驗(yàn)用水按體積比1:4混合加至反應(yīng)器后悶曝24h,靜置0.5h排出上清液;補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)用水,開始運(yùn)行,每天運(yùn)行兩個(gè)周期,每周期厭氧、好氧階段分別運(yùn)行3和8h,沉淀0.5h后排水.待觀察到填料表面出現(xiàn)黃色菌斑,填料孔隙內(nèi)有一層相對(duì)均勻的淡黃色生物薄膜,且生物膜逐漸變厚(約為0.3mm),通過(guò)顯微鏡觀察,若生物膜上存在鐘蟲、累枝蟲等原生動(dòng)物和輪蟲等后生動(dòng)物,表明生物膜正在逐漸趨于成熟,同時(shí)反應(yīng)器中出水NH4+-N、COD等濃度保持穩(wěn)定表明掛膜成功,可進(jìn)入下一階段.沖擊負(fù)荷階段(45d),每個(gè)濃度持續(xù)5d.在每個(gè)階段進(jìn)水后,每隔1,2,3,4,6,8h取反應(yīng)器內(nèi)水樣,采用0.45μm針管濾膜過(guò)濾后,用紫外分光光度法測(cè)定納米ZnO的濃度.每個(gè)濃度階段結(jié)束后,利用自配生活污水培養(yǎng)0～2d,使微生物恢復(fù)活性,再進(jìn)入下一濃度沖擊實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定期取樣測(cè)定進(jìn)出水NH4+-N、COD等水質(zhì)指標(biāo).

1.2 實(shí)驗(yàn)用水與接種污泥

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為人工配置模擬生活污水,C6H12O6、NH4Cl和KH2PO4分別作為碳源、氮源和磷源,采用NaHCO3和HCl將其pH值調(diào)至7左右.COD和NH4+-N分別保持在500和50mg/L左右.本實(shí)驗(yàn)的接種污泥取自包頭某污水廠回流井.實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示.為模擬進(jìn)水納米ZnO負(fù)荷變化對(duì)SBBR系統(tǒng)污染物去除性能及微生物群落的影響,納米ZnO沖擊階段,以自配的含不同濃度納米ZnO模擬生活污水作為進(jìn)水(納米ZnO濃度分別為1,5,10,15,20,30,40和50mg/L).

表1 原水水質(zhì)指標(biāo)

注:SOP表示溶解性磷.

1.3 分析測(cè)試方法

1.3.1 納米ZnO的檢測(cè) 采用紫外-可見光分光光度法檢測(cè)水樣中納米ZnO濃度.由于金屬納米粒子易團(tuán)聚,團(tuán)聚之后影響檢測(cè)結(jié)果,因此配置納米ZnO儲(chǔ)備液時(shí)在30℃左右超聲20min(功率120kW,頻率30Hz)[11],配置100mg/L儲(chǔ)備液.研究表明,不同濃度納米顆粒最佳檢測(cè)波長(zhǎng)不同[5],因此在實(shí)驗(yàn)前期,分別配置0.05,0.1,1,2,5,10,15和20mg/L的納米ZnO分散液,利用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行分散液的紫外吸收波長(zhǎng)掃描,確定水中不同濃度納米ZnO的最佳測(cè)定波長(zhǎng).供試納米ZnO購(gòu)買自上海麥克林生化科技有限公司,純度99.9%,粒徑(30±10)nm.

1.3.2 溶解Zn2+的測(cè)定 配置不同濃度納米ZnO,測(cè)定其在SBBR系統(tǒng)中溶解的Zn2+量.在3個(gè)燒杯中裝入所配模擬生活污水各50mL,加入不同濃度納米ZnO,調(diào)節(jié)納米ZnO質(zhì)量濃度分別為10,20和40mg/L,在30℃下超聲15min后,通過(guò)300kD透析膜過(guò)濾24h后,利用火焰原子吸收光譜儀測(cè)定Zn2+濃 度.

1.3.3 生物膜中納米ZnO的累積及水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定自5～50mg/L的各實(shí)驗(yàn)階段,根據(jù)水力停留時(shí)間及進(jìn)、出水中納米ZnO濃度,計(jì)算各實(shí)驗(yàn)階段后期累積于生物膜中納米ZnO的量.

SBBR系統(tǒng)運(yùn)行的各階段,測(cè)定進(jìn)、出水中NH4+-N、COD、TN和TP的濃度變化.NH4+-N和TN分別采用納氏試劑分光光度法和堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定;COD的測(cè)定采用重鉻酸鉀滴定法;TP通過(guò)硫酸鉀消解法進(jìn)行測(cè)定;反應(yīng)器中、DO、pH值均利用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(ROMANIA,HANNA,HI98194)測(cè)定.

1.3.4 微生物量及比好氧速率(SOUR)測(cè)定 預(yù)先向SBBR中持續(xù)曝氣,使模擬廢水中DO達(dá)8.0mg/L,并維持10min,取一定數(shù)量的填料于1000mL燒杯中,并加入上述經(jīng)過(guò)曝氣處理的模擬廢水,迅速插入溶解氧儀(美國(guó),PME,miniDOT)并且密封燒杯.開啟磁力攪拌器,并開始記錄DO讀數(shù),每5min計(jì)數(shù)一次,待DO降至1mg/L以下時(shí)停止實(shí)驗(yàn).將填料上的生物膜刮至燒杯內(nèi)測(cè)定MLSS,以單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量污泥消耗DO的量表征比好氧速率. MLSS和MLVSS均采用重量法測(cè)定[12].

1.3.5 微生物群落結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)納米ZnO脅迫對(duì)污染物去除性能影響而確定耐受閾值,在耐受閾值實(shí)驗(yàn)階段結(jié)束后,以脅迫實(shí)驗(yàn)前為對(duì)照,開展納米ZnO脅迫對(duì)SBBR系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)影響研究.自SBBR中隨機(jī)選取3個(gè)填料進(jìn)行微生物分離,分別作為對(duì)照組(CK)及實(shí)驗(yàn)組(UD20)進(jìn)行微生物多樣性測(cè)定.將生物膜分別放入裝有50mL 0.1mol/L磷酸鉀緩沖液(pH=8)的錐形瓶中,超聲振蕩洗滌20min (160W,30s)后,將混合液過(guò)0.22μm濾膜,用液氮將濾膜上微生物速凍至-80℃后送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序,采用細(xì)菌16SrRNA基因V3-V4區(qū)通用引物,引物序列為:338F(5′- ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′).

2 結(jié)果與討論

2.1 納米ZnO及溶解性Zn2+檢測(cè)

2.1.1 納米ZnO的檢測(cè) 如圖1所示,在低濃度(0.05～15mg/L) 范圍內(nèi),納米ZnO溶液的最佳吸收波長(zhǎng)在275～285nm,比較后選擇280nm作為最終測(cè)定波長(zhǎng).在高濃度(15～100mg/L)范圍內(nèi),納米ZnO溶液的最佳吸收波長(zhǎng)為380nm.根據(jù)各濃度下納米ZnO最佳吸收波長(zhǎng),繪制各濃度納米ZnO測(cè)定標(biāo)線,進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)階段SBBR進(jìn)、出水中納米ZnO濃度測(cè)定.低濃度下標(biāo)線的線性方程為=0.0097-0.0018,2=0.999;高濃度標(biāo)線方程為=0.0074-0.0107,2= 0.999.相關(guān)系數(shù)大于0.98,線性相關(guān)性良好.

圖1 各濃度納米ZnO紫外吸收波長(zhǎng)

2.1.2 溶解Zn2+的含量 在納米ZnO初始濃度為10,20,40mg/L時(shí),溶解Zn2+濃度分別為3.47,8.07和6.29mg/L.在10～20mg/L范圍內(nèi),隨著納米ZnO濃度增加,溶解Zn2+含量逐漸升高.納米ZnO濃度增至40mg/L時(shí),溶解的Zn2+量稍有減少,可能是高濃度納米ZnO因碰撞幾率增加,壓縮雙電層而發(fā)生聚集,粒徑增大,減少Zn2+的溶解.已有研究[13]表明離子強(qiáng)度、離子類型也會(huì)影響粒子團(tuán)聚而影響Zn2+的溶解.

2.2 納米ZnO對(duì)SBBR中污染物去除的影響

2.2.1 納米ZnO在SBBR系統(tǒng)生物膜中的累積 如圖2所示,隨著納米ZnO濃度增加,納米ZnO累積于生物膜中的量越來(lái)越多,與Westerhoff等[14]研究結(jié)論一致,即活性污泥對(duì)納米氧化物有吸附作用,且納米氧化物被吸附的量與其在水體中的濃度呈正相關(guān).在納米ZnO濃度為15和20mg/L時(shí),累積于生物膜中的納米ZnO分別為579.83和911.49mg;當(dāng)濃度增至50mg/L時(shí),納米ZnO的累積量達(dá)3023.58mg.納米ZnO在生物膜中的累積量將為后續(xù)耐受閾值判定及微生物群落結(jié)構(gòu)變化提供數(shù)據(jù)支撐.

圖2 SBRRR系統(tǒng)生物膜中納米ZnO的累積量

2.2.2 有機(jī)物的去除 如圖3所示,進(jìn)水納米ZnO濃度小于10mg/L時(shí),對(duì)有機(jī)物的去除無(wú)明顯影響,且在5mg/L時(shí),強(qiáng)化了對(duì)COD的去除,可能是由于系統(tǒng)中微生物在少量的納米ZnO刺激下具有了一定的抵抗能力.有研究表明金屬納米顆粒并未影響與有機(jī)物去除相關(guān)的異養(yǎng)生物的生長(zhǎng)[15].

圖3 納米ZnO對(duì)SBBR中有機(jī)物去除的影響

當(dāng)納米ZnO濃度自15mg/L增至50mg/L時(shí),COD去除率從94.48%降至67.76%,可能是累積于生物膜中的納米ZnO增多,其中部分納米ZnO溶解后釋放Zn2+,通過(guò)吸附或被攝取進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部.有研究表明,它可增加細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生,進(jìn)而通過(guò)氧化脅迫等方式對(duì)系統(tǒng)中微生物產(chǎn)生毒性,甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡[6,16-17].也有研究表明吸附在污泥中的納米氧化物在細(xì)胞接觸過(guò)程中產(chǎn)生活性氧從而增加細(xì)胞膜的過(guò)氧化反應(yīng).脂、蛋白質(zhì)、多糖、DNA會(huì)過(guò)氧化損傷,進(jìn)而抑制細(xì)胞代謝[18].

2.2.3 NH4+-N的去除 如圖4所示,在納米ZnO濃度小于10mg/L時(shí),NH4+-N平均去除率無(wú)明顯變化趨勢(shì),說(shuō)明短期內(nèi)低濃度納米ZnO顆粒對(duì)系統(tǒng)脫氮性能并無(wú)顯著影響.當(dāng)沖擊濃度自10mg/L增至15mg/L時(shí),NH4+-N平均去除率由94.77%降至89.04%.可能是隨著納米ZnO在生物膜中的積累,進(jìn)入微生物體內(nèi)產(chǎn)生毒性,開始在反應(yīng)器中影響氨化反應(yīng)的進(jìn)程.在沖擊濃度達(dá)15mg/L前,NH4+-N去除率較穩(wěn)定,表明微生物經(jīng)馴化后,可以適應(yīng)較高濃度的納米ZnO環(huán)境.而濃度高于30mg/L時(shí),抑制了NH4+-N的去除,也有研究表明納米金屬對(duì)氨氧化微生物的毒性與釋放的金屬離子密切相關(guān),使氨氧化過(guò)程減緩[19].隨著濃度的提高,抑制作用增強(qiáng).可能是由于納米ZnO的毒性脅迫導(dǎo)致ROS明顯增高,造成細(xì)胞內(nèi)的ROS過(guò)量積累,破壞了細(xì)胞內(nèi)ROS的防御機(jī)制,即機(jī)體內(nèi)正常的氧化和抗氧化水平失衡,對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和組分產(chǎn)生破壞,從而對(duì)微生物脫氮產(chǎn)生抑制[16].李素萍等[20]研究表明,50mg/L納米ZnO使NH4+-N去除率下降了83.08%,有機(jī)物去除率下降19.46%.從NH4+-N去除率變化可以看出,本研究中SBBR工藝對(duì)納米ZnO的耐受性較好.

圖4 納米ZnO對(duì)SBBR中NH4+-N去除的影響

2.2.4 SOP的去除 由圖5可知,納米ZnO濃度在0～10mg/L時(shí),SOP平均去除率均在80%以上,說(shuō)明除磷菌對(duì)納米ZnO的存在敏感性較低,在此濃度范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)除磷效能并無(wú)顯著影響.而隨著納米ZnO濃度逐漸增大,對(duì)SOP去除出現(xiàn)明顯的抑制.隨著濃度的增加,納米ZnO對(duì)系統(tǒng)中除磷相關(guān)微生物的毒性開始體現(xiàn),與王未青 [21]研究結(jié)論一致.在納米ZnO濃度為15～20mg/L時(shí),SOP去除率從83.05%逐漸降低至74.50%,可能與納米金屬釋放的金屬離子進(jìn)入聚磷菌體內(nèi)抑制了磷代謝相關(guān)的酶[22].濃度增加至50mg/L時(shí),SOP去除率大幅下降至39.81%,推測(cè)是高濃度的納米ZnO能夠引起ROS的產(chǎn)生,抑制胞外多聚磷酸酶活性所致[6].相比于對(duì)NH4+-N的去除抑制(95.29%至37.46%),納米ZnO的脅迫對(duì)SOP的去除抑制影響偏弱.

綜上,納米ZnO濃度在1～10mg/L范圍內(nèi),對(duì)COD、NH4+-N、SOP的去除無(wú)顯著影響,隨著濃度的升高,各污染物去除率出現(xiàn)下降趨勢(shì).15mg/L時(shí),NH4+-N平均去除率下降了6.25%;SOP平均去除率下降了4.49%.納米ZnO濃度逐增至50mg/L,COD、NH4+-N、SOP去除率分別下降26.45%、57.83%和43.50%,從對(duì)NH4+-N和SOP去除影響程度可判斷,SBBR對(duì)納米ZnO的耐受閾值為579.83mg.當(dāng)納米ZnO濃度增至20mg/L時(shí),COD平均去除率下降了4.80%,因此從對(duì)COD去除影響判定,SBBR對(duì)納米ZnO的耐受閾值為911.49mg.COD與NH4+-N、SOP所指示SBBR的納米ZnO耐受閾值有所不同.納米ZnO的脅迫對(duì)SBBR中COD去除性能影響較小,而對(duì)NH4+-N影響較大.

2.3 納米ZnO對(duì)微生物量及其活性的影響

2.3.1 對(duì)生物量的影響 常規(guī)情況下,生活污水中污泥MLVSS/MLSS值一般在0.75左右.如圖6所示,隨著納米ZnO濃度的增加,MLSS值自3316mg/L逐漸增至3478mg/L,后降低至2662mg/L; MLVSS值從2388mg/L遞增至2643mg/L后減至1411mg/L.在納米ZnO濃度小于1mg/L時(shí),MLVSS/ MLSS值并未出現(xiàn)明顯變化,對(duì)系統(tǒng)中的活性污泥無(wú)顯著影響.當(dāng)納米ZnO濃度增至5mg/L時(shí),MLVSS/MLSS值從0.73升為0.75.結(jié)合污染物去除效果,低濃度(0～10mg/L)下,納米ZnO脅迫對(duì)SBBR系統(tǒng)中有機(jī)物、氮、磷去除無(wú)顯著影響,在5mg/L時(shí),增強(qiáng)了對(duì)COD的去除效果,去除率增至97.56%.可能為低濃度納米ZnO溶解產(chǎn)生的Zn2+刺激微生物生長(zhǎng),活性污泥活性增加,對(duì)微生物的新陳代謝和生物活性有促進(jìn)作用.

圖6 納米ZnO對(duì)微生物量及其活性的影響

圖中數(shù)據(jù)為在各實(shí)驗(yàn)階段運(yùn)行第3d時(shí),系統(tǒng)中的生物量及微生物活性

隨著納米ZnO濃度從10mg/L逐漸增至50mg/L時(shí),生物量和增殖速率受到明顯抑制.此時(shí)COD去除率降至67.76%,對(duì)NH4+-N和SOP的去除抑制作用明顯增強(qiáng).吳春晗等[23]研究發(fā)現(xiàn)納米ZnO脅迫濃度為20～50mg/L時(shí),細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致細(xì)胞間粘滯性增大,出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象.可能是納米ZnO的累積,對(duì)微生物產(chǎn)生了毒害作用,對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和組分產(chǎn)生破壞;或由于納米粒子的抑菌性,使得細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)輸送途徑被阻礙,從而抑制了微生物的活性和增殖,甚至導(dǎo)致微生物的死亡[24].

2.3.2 對(duì)微生物活性的影響 SOUR反應(yīng)微生物的代謝速率和酶活性變化情況.由圖7可知,未投加納米ZnO時(shí),微生物SOUR值為40.36mg/ (L·h);在5mg/L納米ZnO脅迫下略升至43.08mg/ (L·h);而在10～30mg/L納米ZnO脅迫下,SOUR逐漸下降,直至40mg/L后驟減至16.77mg/(L·h).在10mg/ L內(nèi),微生物新陳代謝受到一定的抑制,但是生物量有所增加,活性污泥的總體效能未發(fā)生明顯變化,即對(duì)COD去除率沒(méi)有影響.當(dāng)納米ZnO濃度增至15～50mg/L時(shí),表現(xiàn)出對(duì)系統(tǒng)SOUR活性的抑制,但抑制率(67.64%)低于王樹濤等[25]研究所得納米40mg/L ZnO對(duì)活性污泥SOUR的抑制率(79.00%).

圖7 納米ZnO對(duì)微生物呼吸作用的影響

圖中數(shù)據(jù)為在各實(shí)驗(yàn)階段運(yùn)行第3d時(shí),系統(tǒng)中的微生物活性

2.4 納米ZnO濃度與微生物群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

2.4.1 微生物群落多樣性分析 如表2所示,投加納米ZnO后,系統(tǒng)中OTU數(shù)由1671減至1082. Coverage指數(shù)均大于0.97,表明測(cè)序結(jié)果能反映樣品中微生物的真實(shí)情況. Shannon與Alpha指數(shù)與群落多樣性呈正相關(guān),而Simpson指數(shù)與群落多樣性呈負(fù)相關(guān).由表2結(jié)果可知,CK組微生物群落豐富度和多樣性均大于UD20組.說(shuō)明納米ZnO的脅迫降低了系統(tǒng)中微生物群落的多樣性和均勻性.

2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)變化 由圖8可知,在納米ZnO脅迫下,反應(yīng)器內(nèi)的微生物組成也隨之進(jìn)行演替.投加納米ZnO后,優(yōu)勢(shì)菌群集中在髕骨菌門(Patescibacteria)、放線菌門(Acinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidota)等.在20mg/L納米ZnO脅迫下,髕骨菌門相對(duì)豐度由9.33%突增至56.64%,說(shuō)明髕骨菌門中存在可以抵御較高濃度納米ZnO的菌種.張凱[26]研究表明髕骨菌門相對(duì)豐度隨著金屬離子濃度增大而增大,對(duì)有機(jī)物、重金屬和抗生素有較好的去除效果.這也可能是納米ZnO濃度增加,而對(duì)有機(jī)物,去除影響較小的原因.

表2 多樣性指數(shù)

變形菌門(Proteobacteria)中包含常見的反硝化功能菌[27],相對(duì)豐度由21.09%降至8.00%,綠彎菌門(Chlorofiexi)[28]具有降解水中碳水類化合物的作用,同時(shí)也有助于反硝化過(guò)程,相對(duì)豐度由7.03%降至2.60%,表明系統(tǒng)中納米ZnO對(duì)其產(chǎn)生抑制作用,導(dǎo)致脫氮性能變差.擬桿菌門(Bacteroidota)[29]具有將復(fù)雜有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物的能力,其相對(duì)豐度由CK組19.59%降至4.87%,所以系統(tǒng)出水中有機(jī)物濃度逐漸增大.厚壁菌門(Firmicutes)具有降解毒素的功能,在UD20組中,相對(duì)豐度略有降低,說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)微生物對(duì)納米ZnO產(chǎn)生的毒性仍有抵抗能力.

圖8 SBBR中門水平微生物群落結(jié)構(gòu)

由圖9可知,在投加納米ZnO后,優(yōu)勢(shì)屬及其豐度發(fā)生顯著變化.UD20組中,____、TM7a、和__LWQ8屬的相對(duì)豐度明顯升高,占比分別為26.64%、14.19%、13.67%、13.54%.推測(cè)可能是投加納米ZnO后造成系統(tǒng)內(nèi)菌群間的競(jìng)爭(zhēng)壓力減小,更利于其生長(zhǎng).可以分解有機(jī)物,為脫氮除磷菌提供條件[30],但進(jìn)水中的納米ZnO濃度的升高,限制了其它氮循環(huán)菌的生長(zhǎng),雖然微生物具有抗沖擊負(fù)荷能力,但氨化反應(yīng)進(jìn)程仍然受到一定程度的抑制,使得脫氮效率逐漸降低.

____菌屬耐鹽和有機(jī)物,對(duì)廢水凈化有著重要的作用[31].系統(tǒng)中該菌屬一直作為優(yōu)勢(shì)菌屬,相對(duì)豐度有所提高,說(shuō)明納米ZnO的脅迫對(duì)其生長(zhǎng)繁殖具有促進(jìn)作用.在20mg/L納米ZnO脅迫下,微絲菌屬()相對(duì)豐度由12.07%降至0.32%,其相對(duì)豐度與總氮和有機(jī)物的去除率呈正相關(guān)[32].表明累積的納米ZnO對(duì)絲狀菌類有抑制作用,導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效果變差.微單孢菌屬()是脫氮除磷菌,屬于耐毒類微生物,在惡劣環(huán)境下可以積累能量和化合物[33],不僅可以積累細(xì)胞聚磷酸鹽,而且在厭氧或好氧條件下均能儲(chǔ)存和利用各種糖類物質(zhì)[34].在15～20mg/L時(shí),其相對(duì)豐度略有提高,在納米ZnO沖擊下,SOP去除效率逐漸降低后又有一定的恢復(fù),起到一定積極作用.

圖9 SBBR中屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)

僅展示相對(duì)豐度大于1.5%的優(yōu)勢(shì)菌屬

3 結(jié)論

3.1 在低濃度(1～10mg/L)納米ZnO脅迫下,SBBR中COD、NH4+-N、SOP去除率無(wú)明顯變化,隨著納米ZnO濃度升高至50mg/L,COD、NH4+-N、SOP去除率分別下降26.45%、57.83%和43.50%.相比于NH4+-N,納米ZnO沖擊對(duì)COD及SOP去除影響較小,SBBR系統(tǒng)納米ZnO耐受性較好.

3.2 結(jié)合污染物去除性能,判定COD所指示SBBR的納米ZnO耐受閾值為911.49mg,而NH4+-N、SOP所指示的耐受閾值為579.83mg.

3.3 低濃度納米ZnO對(duì)微生物代謝速率和生物活性有促進(jìn)作用,但濃度增大至50mg/L,納米ZnO對(duì)生物量、增殖速率及活性有了明顯抑制.濃度越大,抑制作用越強(qiáng).且與污染物去除性能相對(duì)應(yīng).納米ZnO脅迫降低了群落的多樣性,改變了微生物群落結(jié)構(gòu).髕骨菌門豐度驟增為有機(jī)物的高效去除起到至關(guān)重要的作用;而變形菌門和綠彎菌門的減少致使NH4+-N去除受到顯著抑制.

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Performance of pollutant removal and responses of microbial community to Nano-ZnO stress in SBBR.

GAO Jing-tian,HU Peng,CAI Yi-ting,LI Wei-ping*,LIU Chao

(School of Energy and Environment,Inner Mongolia University of Science & Technology,Baotou 014010,China).,2022,42(8)：3658～3665

In order to explore the tolerance of biofilm treatment system to Nano-ZnO,a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) was constructed to carry out the Nano-ZnO stress test in SBBR system for determining the accumulation characteristics of Nano-ZnO on biofilm,investigating the removal performance of organic matter,nitrogen and phosphorus,and evaluating the Nano-ZnO tolerance threshold of SBBR. The responses of microbial community to Nano-ZnO were also analyzed by observing the changes of biomass,microbial activity and community structure. The results showed that low concentration (1～10mg/L) Nano-ZnO had no significant effect on the removal of COD,NH4+-N and SOP in SBBR except that 5mg/L Nano-ZnO promoted the microbial metabolic rate and biological activity. While the concentration of Nano-ZnO increased to 50mg/L,the inhibition on biomass and microbial activity increased,and the removal of COD,NH4+-N and SOP decreased by 26.45%,57.83% and 43.50%,respectively. Nano-ZnO stress had the least effect on COD removal performance,but a great effect on NH4+-N. The Nano-ZnO tolerance threshold of SBBR indicated by COD was 911.49mg,while that of NH4+-N and SOP was 579.83mg. The diversity of microbial community in SBBR was reduced and the composition of community structure were changed under the stress of Nano-ZnO. The relative abundance of Proteobacteria and Chlorofiexi decreased from 21.09% and 7.03% to 8.00% and 2.60%,respectively,resulting in significant inhibition of NH4+-N removal. The abundance of Paesciabacteria suddenly increased from 9.33% to 56.64%,which played an important role in the efficient removal of organic matter. The pollutant removal performance and microbial activity showed that the tolerance of SBBR biofilm system to Nano-ZnO was stronger than that of activated sludge process.

SBBR；Nano-ZnO；tolerance threshold；high-throughput sequencing；community structure

X703.1

A

1000-6923(2022)08-3658-08

2022-01-17

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2021LHMS05020)

* 責(zé)任作者,教授,sjlwp@163.com

高靜湉(1988-),女,內(nèi)蒙赤峰人,講師,博士,主要從事水處理理論與技術(shù)研究.發(fā)表論文10余篇.