生物活性炭使用過程中微生物群落變化規(guī)律及其對(duì)凈化效能的影響

李聰聰，劉 成，*，蘭 童，許展鵬，馮昌龍，陳 衛(wèi)

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098)

臭氧-生物活性炭技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的深度處理技術(shù)之一，對(duì)提升城市供水水質(zhì)具有重要的作用，其中，生物活性炭(BAC)工藝單元對(duì)工藝及水廠出水具有明顯的保障作用。一般認(rèn)為BAC工藝單元是通過活性炭吸附、微生物降解及其協(xié)同作用來去除水中污染物，且在不同階段各途徑的貢獻(xiàn)存在一定差異[1]。當(dāng)BAC使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)(尤其是使用3～5年之后)，其吸附性能弱化，生物降解作用在水中污染物去除過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用[2-3]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)使用時(shí)間超過3～5年后，其生物量基本維持穩(wěn)定的情況下，BAC的凈化效能隨使用時(shí)間整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[4-6]，微生物群落結(jié)構(gòu)及功能微生物比例的改變可能是關(guān)鍵因素。部分研究結(jié)果表明,BAC表面定殖的種類繁多，并明確不同炭池具體微生物組成種類，就豐度而言，變形桿菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)等是BAC生物膜的優(yōu)勢(shì)菌[7]，但針對(duì)BAC整個(gè)使用時(shí)間范圍內(nèi)微生物種群結(jié)構(gòu)變化規(guī)律尚沒有系統(tǒng)的研究。因此，本文采用中試試驗(yàn)裝置對(duì)0～10年BAC顆粒上附著微生物群落特征的演變過程進(jìn)行解析，比較了不同使用年限BAC顆粒上微生物群落的分類和系統(tǒng)發(fā)育，結(jié)合進(jìn)出水水質(zhì)的變化情況，明確BAC應(yīng)用過程中的微生物群落演替規(guī)律及其對(duì)BAC凈化性能的影響。論文研究結(jié)果將為水廠BAC工藝的應(yīng)用及失效節(jié)點(diǎn)判定提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

BAC樣品采自以太湖水為原水的3個(gè)水廠(XL、ZQ、XD)的活性炭池，共收集了1、3、5、7年和9年5個(gè)使用時(shí)間的炭樣(BAC池表層以下300 mm處)，分別填充到中試裝置的炭柱中(中試試驗(yàn)裝置如圖1所示)，炭柱直徑為200 mm、高度為3 500 mm，承托層高度為300 mm，炭層厚度為2 000 mm。進(jìn)水為XL水廠臭氧接觸池出水(水質(zhì)參數(shù)如表1所示)，采用下向流運(yùn)行方式，運(yùn)行參數(shù)參照XL水廠BAC池：空床接觸時(shí)間為15 min，濾速為8 m/h，反沖洗周期為7～10 d，氣沖為3 min，水沖為8 min。

圖1 中試裝置示意圖Fig.1 Diagram of Pilot Plant

在連續(xù)運(yùn)行至第3 d和1年后，分別取表層下300 cm炭樣，并分別標(biāo)記為1年BAC(1-yr BAC)、2年BAC(2-yr BAC)、3年BAC(3-yr BAC)、4年BAC(4-yr BAC)、5年BAC(5-yr BAC)、6年BAC(6-yr BAC)、7年BAC(7-yr BAC)、8年BAC(8-yr BAC)、9年BAC(9-yr BAC)、10年BAC (10-yr BAC)。針對(duì)所采集樣品，測(cè)定其生物量、生物活性及種群結(jié)構(gòu)。裝置連續(xù)運(yùn)行期間，定期取樣測(cè)定BAC柱進(jìn)、出水的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)。

在冬季水溫為7～10 ℃時(shí)，向進(jìn)水桶投加氯化銨,使2年和10年BAC柱進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到1.0～1.2 mg/L，裝置連續(xù)運(yùn)行10 d，每天取BAC柱進(jìn)出水測(cè)定氨氮濃度。

表1 BAC池進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Inflow Quality Parameters of BAC Filter

1.2 分析項(xiàng)目及方法

1.2.1 水質(zhì)指標(biāo)

氨氮指標(biāo)按《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 總則》(GB/T 5750.1—2006)檢測(cè)；DOC采用Aurora1 030W 總有機(jī)碳分析儀測(cè)定。

1.2.2 生物指標(biāo)

BAC的生物量和生物活性分別采用脂磷法和比好氧速率(SOUR)測(cè)定[3]；微生物DNA提取采用EZNA?Soil DNA(Omega Bio-Tek，USA)試劑盒；微生物種群采用16S rRNA高通量測(cè)序分析，測(cè)序步驟及擴(kuò)增子分析流程參考文獻(xiàn)[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

微生物群落結(jié)構(gòu)主坐標(biāo)成分分析(PCoA)，利用R語(yǔ)言的vegan的Package分析。冗余分析(RDA)利用CANOCO 5.0軟件進(jìn)行分析。利用零模型探究BAC微生物群落的組裝方式。先計(jì)算獲得最近種間親緣關(guān)系指數(shù)(βNTI)和Raup-Crick 矩陣(RCbray)等參數(shù)，當(dāng)βNTI值>2時(shí)，表示群落組裝過程為確定性過程；βNTI值<2時(shí)，表示群落組裝以隨機(jī)性過程為主。同時(shí)，當(dāng)RCbray值>0.95、RCbray值<-0.95及RCbray值<0.95時(shí)，分別表示隨機(jī)性過程為擴(kuò)散限制、同質(zhì)擴(kuò)散[9]。

2 結(jié)果和討論

2.1 BAC炭粒上生物量和生物活性變化趨勢(shì)

生物量和生物活性直接反映了其生物降解效果的變化情況(圖2)。生物降解是BAC去除污染物的重要降解途徑，因此，進(jìn)一步探究生物量和生物活性指標(biāo)隨使用時(shí)間的變化規(guī)律。

圖2 BAC上(a)生物量及(b)生物活性變化Fig.2 Changes of (a)Biomass and (b) Bioactivity on BAC

在BAC初始運(yùn)行時(shí)(2年內(nèi))，生物量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，達(dá)到200 nmol P/(g BAC)。2年后生物量增長(zhǎng)放緩，在5年后穩(wěn)定在250～350 nmol P/(g BAC)。由于微生物的附著點(diǎn)主要位于活性炭的大孔通道和表面，并且BAC顆粒的大孔體積和表面積是相對(duì)確定的值，因而活性炭容納的生物量勢(shì)必會(huì)存在最大限值。多數(shù)研究中，生物膜成熟穩(wěn)定后，BAC生物量穩(wěn)定在80～400 nmol P/(g BAC)[10-12]，主要受進(jìn)水水質(zhì)(水溫、水中有機(jī)物含量等)因素影響呈現(xiàn)一定的差異。

BAC使用初期，生物活性隨著生物量的增加而逐漸增加，2～3年時(shí)達(dá)到最高值[0.04 mg O2/(g BAC)·h]，后隨使用年限出現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì)。一般認(rèn)為，BAC表面微生物的生物降解活性在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的[13]，生物膜內(nèi)部生物活性會(huì)隨使用時(shí)間呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)[14-15]。

2.2 BAC顆粒上生物種群變化規(guī)律分析

BAC附著微生物種群是影響其凈化效能的重要因素，因此，探究BAC微生物群落結(jié)構(gòu)隨使用年限的變化情況。

圖3 不同使用年限BAC門水平的微生物種群組成Fig.3 Microbial Community Composition at Phylum Level of BAC under Service Lifes

2.2.1 門水平上的變化情況

圖4 不同使用年限BAC屬水平的生物種群組成Fig.4 Microbial Communities Composition at Genus Level of BAC under Service Lifes

圖3為不同使用時(shí)間BAC微生物群落組成在門水平上的相對(duì)豐度。1～10年BAC的微生物群落在門水平上微生物分類組成表現(xiàn)出極大的相似性與穩(wěn)定性，但相對(duì)豐度存在明顯差異。微生物群落主要分布在以下門類中Proteobacteria、Acidobacteria和綠彎菌門(Chloroflexi)，占總豐度的70%～90%，是BAC池中的主要微生物群落。在0～10年BAC中，Proteobacteria始終為門水平下的優(yōu)勢(shì)菌群，相對(duì)豐度超過40%，其碳源主要來自于有機(jī)物，故對(duì)污染物具有較強(qiáng)的去除作用，是維持BAC群落穩(wěn)定的主要貢獻(xiàn)者。此外，BAC在運(yùn)行過程中，Actinobacteria和Bacteroidetes的相對(duì)豐度在1～10年分別從8.33%、6.16%下降到0.49%、1.23%。Actinobacteria能夠?qū)⒍喾N有機(jī)物作為碳源，對(duì)纖維素類物質(zhì)的降解發(fā)揮重要作用，而Bacteroidetes具有將蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和其他大分子分解為簡(jiǎn)單化合物的功能。因此，這些微生物的減少一定程度上影響B(tài)AC生物降解功能。

2.2.2 屬水平上的變化情況

進(jìn)一步分析不同使用年限BAC樣品屬水平上的主要微生物變化情況，結(jié)果如圖4所示。

BAC顆粒上的微生物在屬水平上呈現(xiàn)較顯著的變化：1)根瘤菌屬(Rhizobium)、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、阿菲波菌屬(Afipia)是常見的異養(yǎng)菌，攜帶芳香化合物降解基因并能降解不同種類的有機(jī)物，在2～4年BAC上富集，相對(duì)豐度達(dá)到7.85%、3.64%、3.63%，之后隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)豐度分別降至4.53%、1.76%、1.09%；2)硝化螺旋菌屬(Nitrospira)是水中脫氮過程的重要參與者，其相對(duì)豐度從3.51%下降到1.29%，會(huì)引起B(yǎng)AC氨氮凈化效能改變[16]；3)博斯氏菌(Bosea)與生物膜的生物活性(SOUR)呈正相關(guān)[17]，可保證微生物的降解活性和功能。在BAC微生物群落的演替中顯示Bosea出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，當(dāng)BAC使用時(shí)間超過8年時(shí)，其相對(duì)豐度降低至0.43%，故導(dǎo)致BAC生物活性減弱，影響微生物群落的功能特性；4)相比之下，一些厭氧菌屬，如紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)、斯克爾曼氏菌(Skermanella)和紅游動(dòng)菌屬(Rhodoplanes)，在0～10年運(yùn)行過程中其相對(duì)豐度分別從0.25%、0.63%、0.19%增加至2.96%、1.57%、2.04%，由此推測(cè)在運(yùn)行過程中BAC生物膜逐漸形成明顯的厭氧分層結(jié)構(gòu)。此外，應(yīng)特別注意某些絲狀菌種，研究[18]報(bào)道，鮑曼不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)是典型絲狀微生物，可導(dǎo)致生物膜的老化以及BAC池堵塞，降低微生物的凈化效能。本研究發(fā)現(xiàn)Acinetobacter在使用時(shí)間較長(zhǎng)的BAC出現(xiàn)明顯的積累，8～10年BAC中其相對(duì)豐度達(dá)到1%以上，分別為1.13%、2.05%和2.19%。

2.2.3 生物多樣性

表2為1～10年BAC微生物的Chao、Ace、Shannon指數(shù)。α多樣性指數(shù)結(jié)果顯示，微生物群落多樣性在1～10年呈先升高再下降趨勢(shì)，在運(yùn)行2年達(dá)到最大值。群落多樣性可以確保微生物代謝能力并且可以提高微生物群落的穩(wěn)定性，故可提高污染物去除效能?？紤]到β多樣性，PCoA分析探索了群落組成的總體變化，并深度解釋了約73.17%的方差(圖5)。PERMANOVA進(jìn)一步證實(shí)了BAC樣品之間微生物群落組成差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.001)。結(jié)果表明，不同使用時(shí)間的BAC微生物群落在第一、二維度上存在顯著差異，隨BAC使用時(shí)間的增加，各個(gè)時(shí)期不同微生物群落存在明顯分離，差異性擴(kuò)大，說明微生物群落具有明顯的時(shí)間演變。

表2 BAC微生物群落Alpha多樣性指數(shù)Tab.2 Alpha Diversity Index of BAC Microbial Communities

圖5 對(duì)不同使用時(shí)間BAC微生物群落組成PCoAFig.5 PCoA of BAC Microbial Communities Composition under Different Service Lifes

2.2.4 微生物群落組裝機(jī)制

確定性和隨機(jī)性過程是被用于揭示群落構(gòu)建的兩種過程類型。確定性過程與生態(tài)選擇有關(guān)，是指由非生物和生物因素決定物種的存在/缺失和相對(duì)豐度，主要包括同質(zhì)選擇和異質(zhì)選擇。隨機(jī)過程則包括物種概率分布以及物種相對(duì)豐度發(fā)生的隨機(jī)變化，包括生態(tài)漂移、均質(zhì)擴(kuò)散和有限擴(kuò)散。本文通過生態(tài)位寬度和零模型評(píng)估了組裝過程在微生物群落發(fā)展過程的作用。

結(jié)果表明，不同使用時(shí)間BAC生態(tài)位寬度差異明顯，2～4年BAC生態(tài)位較寬，此后隨使用時(shí)間延長(zhǎng)群落的生態(tài)位逐漸變窄[圖6(a)]，與微生物多樣性呈相同變化趨勢(shì)。隨機(jī)過程和確定性過程對(duì)BAC微生物群落形成具有顯著影響，微生物群落結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系受群落組裝機(jī)制控制。由圖6(b)可知，有限擴(kuò)散過程在1年和2年BAC群落組裝過程發(fā)揮關(guān)鍵作用(47.91%～51.63%)，在3～7年BAC中，均質(zhì)擴(kuò)散相對(duì)貢獻(xiàn)較高(39.20%～46.21%)。而同質(zhì)選擇控制了8～10年BAC中的微生物群落組裝過程(59.09%～75.63%)，這可能導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)更為相似[19]。因此，同質(zhì)選擇組裝過程降低了BAC群落多樣性，限制BAC工藝凈化性能。BAC工藝通常由人為控制，其在空間和時(shí)間上都處于被高度控制的狀態(tài)，由此產(chǎn)生恒定選擇壓力，可能影響B(tài)AC生物膜群落結(jié)構(gòu)和組裝過程[20-21]。

圖6 不同使用年限(a)BAC生態(tài)位和(b)微生物群落組裝過程Fig.6 (a) BAC Niche and (b) Microbial Community Assembly Process under Different Service Lifes

2.3 不同使用年限BAC凈化效能變化情況

本試驗(yàn)比較了0～10年BAC運(yùn)行過程中對(duì)水中污染物的去除特性和規(guī)律，針對(duì)氨氮、DOC和抗負(fù)荷沖擊能力3個(gè)方面，研究使用時(shí)間、微生物群落演替對(duì)BAC凈水效能產(chǎn)生的影響。

2.3.1 氨氮

BAC池進(jìn)水的氨氮質(zhì)量濃度為0.07～0.11 mg/L，在運(yùn)行期間波動(dòng)不大[圖7(a)]。鑒于BAC對(duì)氨氮基本沒有吸附去除能力，在BAC池中，生物量和生物活性被視為氨氮去除的直接影響因素。0～2年BAC，隨著生物量和生物活性的增加，BAC對(duì)氨氮的去除性能逐漸提高。此階段的BAC對(duì)污染物的生物降解效率受生物量和生物活性影響較大。在生物膜成熟后，BAC生物量和生物活性基本保持穩(wěn)定，微生物群落是影響處理效能的關(guān)鍵因素。在2～5年對(duì)氨氮的去除效能最高，去除率為72.89%～78.30%，此階段微生物群落多樣性最高，且Nitrospira等功能微生物相對(duì)豐度較高。當(dāng)使用時(shí)間為5～8年時(shí)，BAC的氨氮去除效能出現(xiàn)下降趨勢(shì)，去除率為40%～70%，而此階段功能微生物的相對(duì)豐度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且微生物多樣性降低。BAC使用時(shí)間為8～10年時(shí)，對(duì)氨氮的去除率為5.12%～40.36%。此階段功能微生物豐度和多樣性持續(xù)降低，因而對(duì)污染物去除呈現(xiàn)微弱的降解效能。在冬季時(shí)，不同使用時(shí)間的BAC對(duì)氨氮的去除率存在明顯差異，特別是10年BAC對(duì)氨氮的去除率低于10%。因此，不同使用時(shí)間的BAC對(duì)氨氮的去除效果受溫度影響程度不同，BAC可以通過調(diào)整微生物群落來影響其脫氮性能。

圖7 不同使用年限BAC對(duì)(a)氨氮和(b)DOC去除效果變化Fig.7 Changes of (a)Ammonia Nitrogen and (b) DOC Removal Rate by BAC under Different Service Lifes

2.3.2 有機(jī)物

整體來看，在0～10年運(yùn)行期間，BAC對(duì)DOC的去除隨運(yùn)行時(shí)間呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，去除率從89%降至10%[圖7(b)]。一般將BAC對(duì)DOC的去除大致分為兩個(gè)階段，一個(gè)階段為活性炭初期運(yùn)行(0～3個(gè)月)，依靠活性炭的吸附作用對(duì)DOC的去除效果較好，去除率一般為60%以上。第二階段為生物膜成熟后直至BAC使用時(shí)間結(jié)束，主要依靠吸附作用和生物降解作用共同實(shí)現(xiàn)對(duì)DOC的去除。但在不同使用時(shí)間下，BAC的吸附作用與生物降解作用對(duì)污染物去除貢獻(xiàn)率不同，研究[22]認(rèn)為當(dāng)BAC使用時(shí)間超過6年，吸附作用弱化，生物降解為主導(dǎo)作用。從微生物群落結(jié)果可知，8～10年BAC的Rhizobium等功能微生物相對(duì)豐度較低以及Acinetobacter等絲狀微生物數(shù)量增加，削弱了BAC對(duì)DOC的凈化效能。

2.3.3 不同使用年限BAC應(yīng)對(duì)氨氮負(fù)荷沖擊性能

由2.3.1小節(jié)可知，水溫是影響B(tài)AC脫氮效能的重要因素。當(dāng)水溫降低于10 ℃時(shí)，微生物的硝化速率受到明顯抑制[23]。水溫為7～10 ℃，BAC對(duì)氨氮去除性能隨著氨氮負(fù)荷升高而變差(圖8)。相比之下，使用時(shí)間較長(zhǎng)的BAC受負(fù)荷沖擊影響更顯著，需要更長(zhǎng)時(shí)間來適應(yīng)低溫條件下氨氮負(fù)荷。結(jié)果顯示，當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度大于1.0 mg/L，2年BAC和10年BAC，分別在運(yùn)行2、7 d后氨氮的去除性能恢復(fù)正常。從微生物群落組裝過程結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于同質(zhì)選擇過程為10年BAC微生物群落組裝的主導(dǎo)機(jī)制，可能導(dǎo)致微生物多樣性降低以及生態(tài)位變窄，進(jìn)而對(duì)微生物代謝通路產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)對(duì)污染物負(fù)荷沖擊時(shí)，較長(zhǎng)使用時(shí)間的BAC微生物群落可能需要更長(zhǎng)時(shí)間來恢復(fù)其凈化效能。

2.4 BAC微生物種群與處理效能的RDA

RDA(p<0.05)用于進(jìn)一步評(píng)估不同使用時(shí)間BAC微生物屬水平上微生物群落結(jié)構(gòu)和凈化效能之間的關(guān)系(圖9)。結(jié)果表明，氨氮與Nitrospira、假單胞菌屬(Pseudomonas)和硝酸菌屬(Nitrobacter)數(shù)量呈正相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了Nitrospira對(duì)BAC池氨氮去除效能的貢獻(xiàn)。Nitrospira可以進(jìn)行完全的氨氧化，是典型的硝化細(xì)菌[16]。由2.3.1小節(jié)可知，2～5年BAC池對(duì)氨氮去除效能最高，這是由于Nitrospira豐度較高并增強(qiáng)了BAC池對(duì)氨氮的凈化效能。此外，Rhizobium、Bradyrhizobium和Afipia與DOC去除率呈正相關(guān)，是BAC降解有機(jī)化合物的主要類群。此類功能微生物在2～5年BAC共同富集，之后，其相對(duì)豐度隨BAC使用時(shí)間呈明顯下降趨勢(shì)，故一定程度上導(dǎo)致使用時(shí)間較長(zhǎng)的BAC對(duì)DOC凈化效能下降。由此可見，不同使用時(shí)間BAC微生物群落的功能結(jié)構(gòu)存在差異，微生物群落的演變是BAC凈化性能改變的重要原因。

圖9 RDA揭示不同使用時(shí)間BAC污染物去除效率和微生物群落的相關(guān)性Fig.9 RDA Revealed the Correlation between Pollutants Removal Efficiency and Microbial Communities under BAC Different Service Lifes

3 結(jié)論

(1)本研究中BAC生物量到5年時(shí)穩(wěn)定在250～350 nmol P/(g BAC)，之后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。生物活性2年時(shí)達(dá)到最高值[0.04 mg O2/(g BAC)·h]，后隨BAC的使用時(shí)間呈緩慢下降的趨勢(shì)。

(2)Proteobacteria、Acidobacteria和Chloroflexi始終是BAC微生物群落的優(yōu)勢(shì)菌群，對(duì)維持BAC生物膜性能穩(wěn)定發(fā)揮重要的作用。隨著BAC使用時(shí)間延長(zhǎng)微生物群落發(fā)生明顯演變，與凈水效能相關(guān)的微生物，如硝化Nitrospira、Rhizobium、Bradyrhizobium和Afipia，相對(duì)豐度隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低，導(dǎo)致BAC池對(duì)氨氮和DOC的去除效果顯著降低。

(3)確定過程和隨機(jī)過程驅(qū)動(dòng)BAC微生物群落的聚集與發(fā)展，在BAC運(yùn)行過程中，0～7年BAC群落組裝機(jī)制以隨機(jī)過程為主，7年后，組裝機(jī)制向確定過程轉(zhuǎn)變。同時(shí)，同質(zhì)選擇為8～10年BAC群落發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制，占59.09%～75.63%，引起微生物群落多樣性下降。故此階段的BAC微生物群落穩(wěn)定性較差，應(yīng)對(duì)氨氮負(fù)荷沖擊能力減弱。