光照強(qiáng)度對(duì)菌藻共生系統(tǒng)處理海產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的性能影響及微生物群落變化

李盈盈,周 璐,榮宏偉,魯錳業(yè),王競(jìng)茵,崔佰慧,郭大濱

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東廣州 510006)

隨著全世界人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的提升,人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求日益增加,海產(chǎn)品逐漸成為主要的蛋白質(zhì)來(lái)源,海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅速擴(kuò)張。自2002年以來(lái),我國(guó)一直是世界上最大的水產(chǎn)品貿(mào)易國(guó),水產(chǎn)品出口量一直位居世界第一[1]。根據(jù)《2021中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[2],2016年—2020年,我國(guó)海水養(yǎng)殖產(chǎn)量逐年增長(zhǎng),2020年我國(guó)海洋產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)到5 224萬(wàn)t,其中海水養(yǎng)殖產(chǎn)量為2 135萬(wàn)t,約占海洋總產(chǎn)量的40.87%。

然而,在海產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中,大量的動(dòng)物排泄物和未被使用的飼料會(huì)導(dǎo)致水體中的污染物含量劇增,如N、P和COD[3]。未經(jīng)處理的廢水直接排入水環(huán)境中可能會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,對(duì)環(huán)境造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),為了預(yù)防和治療魚(yú)蝦類疾病,水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料中常常含有抗生素。70%～80%的抗生素未能被使用,殘留的抗生素對(duì)水環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅[4]。其中,磺胺類是水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中檢出率較高的抗生素之一[5]。2019年,我國(guó)政府對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提出“綠色健康發(fā)展”的相關(guān)意見(jiàn),要求養(yǎng)殖廢水中的污染物應(yīng)在排放前被有效去除,實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水的循環(huán)利用。

近年來(lái),基于微藻細(xì)菌共生系統(tǒng)去除污染物的技術(shù)逐漸興起。微藻通過(guò)光合作用產(chǎn)生O2,供給細(xì)菌代謝繁殖。活性污泥中的細(xì)菌通過(guò)呼吸釋放CO2,為微藻提供CO2進(jìn)行光合作用[6]。通過(guò)這種共生機(jī)制,菌藻共生比傳統(tǒng)活性污泥對(duì)氨氮和P的去除率更高[7]。值得注意的是,藻類的生長(zhǎng)代謝與光照直接相關(guān)。Matos等[8]和Yan等[9]的研究表明,光照強(qiáng)度對(duì)微藻去除廢水中的污染物有顯著影響。當(dāng)光照強(qiáng)度過(guò)高時(shí),水中的微藻和細(xì)菌都會(huì)受到光抑制作用,導(dǎo)致出水水質(zhì)變差[10]。Marcilhac等[11]的研究表明,在244 μmol/(m2·s)的光量子通量密度下,菌藻共生系統(tǒng)對(duì)N的去除率最大,可達(dá)8.5 mg N/(L·d),并發(fā)現(xiàn)氨氧化細(xì)菌受到微藻生長(zhǎng)的影響。Meng等[12]發(fā)現(xiàn)光量子通量密度≥90 μmol/(m2·s)時(shí),更利于氨氧化細(xì)菌和藻類的富集,對(duì)N和P的去除更加高效。Gao等[13]在光照強(qiáng)度為5 000 lux時(shí)獲得了最佳養(yǎng)分去除效率,去除了98.1%的CODCr、70.7%的氨氮和90.0%的TP。由此可見(jiàn),要達(dá)到菌藻共生系統(tǒng)的高效處理效率,光照強(qiáng)度是重要的因素。但目前缺少光照強(qiáng)度對(duì)微藻細(xì)菌共生系統(tǒng)處理海產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的相關(guān)研究,也沒(méi)有對(duì)抗生素去除研究的報(bào)道。

本研究的目的是,采用懸浮態(tài)菌藻共生系統(tǒng),通過(guò)改變光照強(qiáng)度,選取磺胺甲惡唑(SMX)為主要抗生素,探究光照強(qiáng)度對(duì)海產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及抗生素的處理效果。同時(shí),對(duì)微藻細(xì)菌活性、胞外聚合物(EPS)分泌量和微生物群落進(jìn)行比較,得到最佳光照強(qiáng)度,為工程的實(shí)際應(yīng)用奠定理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 小球藻擴(kuò)培

海水小球藻(GY-H4chlorellasp.)購(gòu)自上海光語(yǔ)生物科技有限公司,采用BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)。在500 mL錐形瓶中,按照藻液∶培養(yǎng)基=1∶5的體積比接種,放置于溫度為25 ℃、光照強(qiáng)度為2 500 lux、明暗比為12 h∶12 h的光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行擴(kuò)培。通過(guò)波長(zhǎng)為680 nm的紫外分光光度法每天檢測(cè)藻細(xì)胞的生長(zhǎng),得到OD680與海水小球藻干重的相關(guān)函數(shù),如式(1)。

Y=0.341 63x-0.005 63,R2=0.998 54

(1)

其中:Y——海水小球藻干重,g/L;

x——檢測(cè)得到的OD680。

1.2 活性污泥耐鹽性馴化

好氧活性污泥取自廣州南村污水處理廠。增加海水晶將廢水鹽度從0調(diào)節(jié)至3%,經(jīng)過(guò)60 d馴化培養(yǎng),獲得耐鹽活性污泥,將活性污泥作為接種菌種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以體積為500 mL的錐形瓶作為序批式活性污泥法(SBR)反應(yīng)器。環(huán)境溫度為25 ℃,明暗比為12 h∶12 h,藻菌比為1∶3(120 mg/L∶360 mg/L),設(shè)置光照強(qiáng)度為2 000、4 500、7 000、9 500 lux,分別記為AS2000、AS4500、AS7000、AS9500。為保證菌藻充分接觸,采用磁力攪拌器以200 r/min攪拌。24 h為1個(gè)周期,22 h攪拌,100 min沉淀,10 min出水,10 min進(jìn)水。由于藻類沉降性較差,避免藻類過(guò)多流失,試驗(yàn)第1 d不排水,以母液形式加入污染物,后續(xù)每天體積交換率為25%。

1.4 水質(zhì)分析方法

水樣通過(guò)0.22 μm聚醚砜濾膜,測(cè)定進(jìn)出水SMX含量。采用高效液相色譜法(1100,安捷倫,美國(guó))測(cè)定SMX的含量。測(cè)定所用色譜柱為Agilent ZORBAX SB-C18(4.6 mm×250 mm,3.5 μm),柱溫控制在30 ℃。流動(dòng)相為甲醇-甲酸水(0.1%),體積比為49∶51,流速為0.2 mL/min,檢測(cè)波長(zhǎng)設(shè)為270 nm。根據(jù)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的SMX濃度計(jì)算SMX的去除率。

1.5 海水小球藻活性和微生物活性的表征

本試驗(yàn)通過(guò)葉綠素a衡量小球藻生長(zhǎng)情況,使用95%乙醇測(cè)定葉綠素a含量,每2 d進(jìn)行一次檢測(cè)。取試驗(yàn)?zāi)┢诘木寤旌衔餃y(cè)定微藻和細(xì)菌活性。采用黑白瓶法測(cè)定菌藻混合液的光合產(chǎn)氧速率(SOGR)來(lái)表征海水小球藻活性[15]。各反應(yīng)器的微生物活性以比氧吸收率(SOUR)、比氨氧化速率(SAUR)和比硝化速率(SNUR)表示[16]。

1.6 EPS提取

EPS主要包括松散結(jié)合的EPS(LB-EPS)和緊密結(jié)合的EPS(TB-EPS)[17]。取試驗(yàn)?zāi)┢诘木寤旌衔?采用熱提取法提取LB-EPS和TB-EPS[18]。分析LB-EPS和TB-EPS中的總有機(jī)碳(TOC)、蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)含量。TOC通過(guò)TOC分析儀(TOC-LcpH/CPN,Shimadzu)測(cè)量,PN按照Lowry方法測(cè)量[19],用苯酚-硫酸法測(cè)定PS含量[20]。

1.7 高通量測(cè)序

取試驗(yàn)結(jié)束后接種污泥的試驗(yàn)組進(jìn)行高通量測(cè)序。微生物多樣性測(cè)序工作由Majorbio生物制藥科技有限公司(中國(guó)上海)完成。整個(gè)測(cè)序基本流程主要包含DNA提取、PCR擴(kuò)增及產(chǎn)物純化、PCR產(chǎn)物的定量和均一化、測(cè)序文庫(kù)構(gòu)建以及雙端測(cè)序。通用引物對(duì)341F(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)和805R(5′-GACTACHVGGTATCTAATCC-3′)用于擴(kuò)增靶向V3～V4區(qū)域的細(xì)菌16S rRNA區(qū)域[21]。然后將PCR產(chǎn)物在Illumina MiSeq平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)序。生物信息學(xué)分析在Majorbio I-Sanger(https://cloud.majorbio.com/)上進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

2.1 小球藻生長(zhǎng)情況

光合作用是光照損傷和自我恢復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡,而葉綠素是進(jìn)行光合作用的主要光合色素。圖1為不同光強(qiáng)下的葉綠素a含量。隨著試驗(yàn)的推進(jìn),各試驗(yàn)組中的葉綠素a質(zhì)量濃度分別從開(kāi)始的1.67 mg/L左右上升至結(jié)束時(shí)的3.36、4.39、4.54、4.60 mg/L。在試驗(yàn)前期,小球藻處于快速生長(zhǎng)階段,并且在第4 d的生長(zhǎng)速率達(dá)到最大,隨后逐漸趨于平緩。但是當(dāng)光照強(qiáng)度為7 000 lux和9 500 lux時(shí),至試驗(yàn)?zāi)┢?葉綠素a含量開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。可能主要有以下兩個(gè)原因:1)中高光強(qiáng)下,微藻生長(zhǎng)不受限制,藻密度不斷上升,最終造成自遮蔽現(xiàn)象,過(guò)量的小球藻無(wú)法捕獲到足夠的光能,光合效率下降,同時(shí)水中分泌的過(guò)量藻毒素對(duì)小球藻造成毒害作用;2)長(zhǎng)期處于過(guò)高的光照強(qiáng)度下,小球藻吸收過(guò)量的光能會(huì)破壞光合色素,抑制光合作用而發(fā)生光抑制現(xiàn)象,同時(shí)高強(qiáng)度的光照會(huì)引起藻細(xì)胞膜的損傷,導(dǎo)致藻細(xì)胞的死亡[22]。當(dāng)光照強(qiáng)度為2 000 lux時(shí),由于活性污泥的遮蔽,藻細(xì)胞吸收的光能較弱,光合作用效率低下,小球藻生長(zhǎng)受限,葉綠素a含量低下。

圖1 不同光照強(qiáng)度下葉綠素a含量

2.2 CODCr的去除

圖2為不同光強(qiáng)下CODCr的去除效率。經(jīng)過(guò)14 d的共生培養(yǎng),所有反應(yīng)器的出水CODCr質(zhì)量濃度均低于6 mg/L,平均去除率可以達(dá)到94%以上,光照強(qiáng)度為4 500 lux時(shí),CODCr去除率最高,為96.87%。這說(shuō)明不同光強(qiáng)下小球藻均能通過(guò)光合作用為菌藻共生系統(tǒng)提供DO,保障微生物的生長(zhǎng),并能較好地去除有機(jī)物。對(duì)不同光照強(qiáng)度下CODCr的去除率進(jìn)行以光照強(qiáng)度為單因素的顯著性分析,P值為0.059(>0.05),差異不顯著。因此,在本試驗(yàn)的試驗(yàn)周期內(nèi),光照強(qiáng)度對(duì)菌藻共生系統(tǒng)去除CODCr沒(méi)有顯著影響。

圖2 不同光照強(qiáng)度下CODCr去除率

2.3 氮素的去除

不同光照強(qiáng)度下,菌藻共生系統(tǒng)脫氮效率如圖3(a)所示。當(dāng)光照強(qiáng)度為4 500 lux時(shí),TN去除效果最佳,為95.70%,其次分別為84.59%(2 000 lux)、76.05%(7 000 lux)和57.75%(9 500 lux)。

圖3 不同光照強(qiáng)度下TN去除效率和氨氮出水含量

圖4 一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)不同光照強(qiáng)度下出水氨氮含量和TN去除率

2.4 磷酸鹽去除

圖5 不同光照強(qiáng)度下去除率 Removal Rate under Different Light Intensities

圖6 一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)不同光照強(qiáng)度下去除率 Removal Rate under Different Light Intensities in a Experimental Period

2.5 SMX的去除

由圖7可知,光照強(qiáng)度為4 500 lux時(shí),SMX的去除率最高,為95.67%,比其余光照強(qiáng)度條件下分別高了7.99%(2 000 lux)、19.24%(7 000 lux)和61.32%(9 500 lux)。SMX的酸度系數(shù)(pKa)為5.6～6.6,在高于pKa的pH下,SMX會(huì)以帶負(fù)電的形式存在,被帶負(fù)電的微藻細(xì)胞排斥[25]。在本試驗(yàn)中,pH值始終維持在7.8以上。同時(shí),SMX的水分配系數(shù)(LogKow)值低于1,為 0.89,表現(xiàn)出親水性的特質(zhì),與細(xì)胞的吸附結(jié)合有限[26]。Rodrigues等[27]的研究也表明,菌藻共生系統(tǒng)對(duì)SMX的生物吸附非常低,只有1.26%。此外,Bai等[28]和Xiong等[29]的研究表明,SMX的生物吸收、生物累積和光降解非常低或微不足道。由于基于底物相互利用的協(xié)同機(jī)制,微藻細(xì)菌共生體可以更好地代謝藥物化合物[30],對(duì)抗生素降解比其他生物處理系統(tǒng)更徹底和有效[31-32]。因此,本試驗(yàn)中,大部分SMX由細(xì)菌和微藻共同生物降解完成。在試驗(yàn)周期前4 d,各反應(yīng)器去除SMX的去除效率迅速上升,之后各反應(yīng)器的去除效率逐步降低,直到第8 d才逐步趨于穩(wěn)定。在低光照強(qiáng)度至中高光照強(qiáng)度(2 000 ～7 000 lux)下,SMX的去除效率均比高光照強(qiáng)度條件下要高。由此可見(jiàn),過(guò)高的光照強(qiáng)度不利于細(xì)菌和微藻協(xié)同作用去除SMX。當(dāng)光照為9 500 lux時(shí),光能充足,試驗(yàn)初期小球藻生長(zhǎng)不受限,但是細(xì)菌受到的光照抑制作用是所有試驗(yàn)組中最高的,故SMX去除效率較低,到第4 d為50.8%。隨后,對(duì)SMX的去除效率開(kāi)始下降。這可能是因?yàn)?在第4 d,葉綠素a的增長(zhǎng)速率達(dá)到最大,開(kāi)始大量繁殖,在第8 d達(dá)到最高,為4.90 mg/L。小球藻的無(wú)限制生長(zhǎng),打破了和細(xì)菌之間的共生關(guān)系,變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)關(guān)系,共同生物降解SMX的模式也被打破。由于光照對(duì)細(xì)菌的抑制作用,微藻成為SMX的主要處理者,去除率始終維持在34.0%左右。在Yu等[33]的研究中,采用海水小球藻處理人工海產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的SMX,去除率達(dá)到41%～50%。類似地,Chen等[26]采用小球藻處理磺胺類抗生素,去除率可達(dá)33%左右。因此,小球藻對(duì)磺胺類抗生素的去除率在33%～50%,與本試驗(yàn)高光照強(qiáng)度條件下的結(jié)果相似。

圖7 不同光照強(qiáng)度下SMX去除率

圖8為一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)不同光照強(qiáng)度下SMX的去除率?？梢悦黠@觀察到,在光照階段,即0～6 h和12～18 h,SMX去除效率迅速上升,0～6 h時(shí)最高可達(dá)70%左右;而黑暗階段,即12～18 h和18～24 h,SMX的去除效率趨于平緩,總體增加只有10%左右。與本試驗(yàn)結(jié)果相同的還有在Hu等[34]的試驗(yàn)中,當(dāng)SMX質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí),菌藻共生系統(tǒng)在光照條件下對(duì)SMX的去除率可達(dá)50%～80%,而在黑暗條件下只有15%～20%。這可能是因?yàn)?低濃度的SMX對(duì)共生系統(tǒng)中的小球藻幾乎沒(méi)有影響,并且EPS的過(guò)量產(chǎn)生降低了菌藻共生系統(tǒng)對(duì)SMX的敏感性[29]。

圖8 一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)不同光照強(qiáng)度下SMX去除效率

2.6 微生物活性

如圖9(a)所示,對(duì)不同光強(qiáng)下菌藻共生系統(tǒng)的小球藻活性進(jìn)行了比較,2 000、4 500、7 000、9 500 lux時(shí)分別為23.55、30.93、21.09、16.06 μmol O2/(mg Chl-a·h)。小球藻活性隨光照強(qiáng)度的增加,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。光照強(qiáng)度是影響微藻生長(zhǎng)的主要環(huán)境因素,過(guò)低會(huì)限制光合速率,過(guò)高會(huì)對(duì)微藻產(chǎn)生光抑制作用[23]。本試驗(yàn)中,由于活性污泥對(duì)光照的遮蔽作用,在2 000 lux光照強(qiáng)度下微藻生長(zhǎng)更加受到限制,活性降低。當(dāng)光照強(qiáng)度為7 000 lux和9 500 lux時(shí),試驗(yàn)初期光能充足,小球藻生長(zhǎng)繁殖不受限制,葉綠素a含量迅速上升。到試驗(yàn)?zāi)┢?自遮蔽現(xiàn)象加劇,光反應(yīng)受到限制,無(wú)法提供足夠的ATP和NADPH進(jìn)行CO2的吸收利用,暗反應(yīng)的效率被削弱,小球藻活性降低,葉綠素a含量也下降。

圖9 微藻活性和細(xì)菌活性比較

如圖9(b)所示,對(duì)不同光強(qiáng)下菌藻共生系統(tǒng)中細(xì)菌活性進(jìn)行比較,包括細(xì)菌總活性SOUR、亞硝酸鹽細(xì)菌活性SAUR和硝酸鹽細(xì)菌活性SNUR。同微藻活性SOGR一樣,隨著光照強(qiáng)度的提升,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),2 000、4 500、7 000、9 500 lux時(shí)依次為38.92、44.57、16.26、10.01 mg O2/(g VSS·h)。同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)細(xì)菌活性與系統(tǒng)脫氮效率呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)。光照強(qiáng)度越高,細(xì)菌總活性越低,光照對(duì)硝化細(xì)菌的抑制作用越高,這主要是因?yàn)閰⑴c硝化作用能量傳導(dǎo)途徑的AOB和NOB細(xì)胞色素均被強(qiáng)光破壞[35],從而無(wú)法進(jìn)行高效的脫氮作用。然而,在低光強(qiáng)下,小球藻生長(zhǎng)受到抑制,小球藻無(wú)法攝取到足夠的O2,活性降低。

2.7 EPS分析

表1 不同光照強(qiáng)度菌藻共生系統(tǒng)試驗(yàn)前后的EPS中TOC含量

試驗(yàn)結(jié)束后EPS中PS和PN的含量及PN/PS如圖10所示。光照強(qiáng)度為4 500 lux時(shí),PS和PN含量最高,PS分別為20.07 mg/(g VSS)(LB-EPS)和26.83 mg/(g VSS)(TB-EPS),PN分別為48.76 mg/(g VSS)(LB-EPS)和59.65 mg/(g VSS)(TB-EPS)。在4個(gè)光照強(qiáng)度下,無(wú)論是LB-EPS,還是TB-EPS,PN含量均占主體。EPS中的PN越高,說(shuō)明菌藻膠團(tuán)內(nèi)部的聯(lián)結(jié)越緊密。同時(shí),PN也具有穩(wěn)定污泥絮體結(jié)構(gòu)的作用,因此,更高的PN含量更利于活性污泥架構(gòu)更加穩(wěn)定的菌藻膠團(tuán),使得菌藻膠團(tuán)實(shí)現(xiàn)更加高效的同步硝化反硝化過(guò)程。并且,由于PN對(duì)于SMX的轉(zhuǎn)運(yùn)作用[43],SMX可以在菌藻膠團(tuán)內(nèi)部逐漸降解,提高對(duì)SMX的去除率。

圖10 不同光照強(qiáng)度下試驗(yàn)結(jié)束后EPS中PS和PN含量

2.8 微生物群落分析

2.8.1 α-多樣性分析

α-多樣性是指一個(gè)特定區(qū)域或者生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的多樣性,常用的度量標(biāo)準(zhǔn)有Chao 1、ACE、Shannon、Simpson、Coverage指數(shù)。Chao 1指數(shù)和ACE指數(shù)用于表征物種的豐富指數(shù),Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)用于表征物種的多樣性,Coverage指數(shù)主要指測(cè)序?qū)ξ锓N的覆蓋度。一般來(lái)說(shuō),Chao 1指數(shù)和ACE指數(shù)值越大,說(shuō)明群落的豐富度越高;Shannon指數(shù)值越高,說(shuō)明群落的多樣性越高;而Simpson指數(shù)值越大,表明群落的Alpha多樣性越差。

由表2可知,光照強(qiáng)度對(duì)菌藻共生系統(tǒng)中的微生物豐富度和多樣性有影響。光照強(qiáng)度為4 500 lux試驗(yàn)組中的微生物群落結(jié)構(gòu)最豐富,其次是2 000 lux和7 000 lux,最小的為9 500 lux,這說(shuō)明過(guò)高的光照強(qiáng)度和過(guò)低的光照強(qiáng)度對(duì)于提高系統(tǒng)的微生物豐富度存在副作用。與之不同的是,光照強(qiáng)度的提高與微生物的多樣性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),光照強(qiáng)度越高,Shannon指數(shù)越低且Simpson指數(shù)越高,這可能是小球藻對(duì)高光照強(qiáng)度的趨向性并占據(jù)主體地位,同時(shí)不耐高光照強(qiáng)度的細(xì)菌豐度逐漸減少,系統(tǒng)中只有部分耐光細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌屬,物種多樣性下降。

表2 不同光強(qiáng)菌藻共生系統(tǒng)微生物α-多樣性指數(shù)

2.8.2 主成分分析(principal component analysis,PCA)

PCA用于分析樣本間的差異和距離,樣品組成越相似,反映在PCA圖中的距離越近。不同光照下菌藻共生系統(tǒng)的PCA如圖11所示。主成分(PC1)和主成分 2(PC2)是兩個(gè)最主要的樣品差異特征,最大比率分別為49.86%和28.12%。其中AS2000和AS4500的樣品傾向聚集在一起,而AS7000和AS9500與之相較甚遠(yuǎn),這說(shuō)明光照強(qiáng)度會(huì)對(duì)微生物群落組成造成差異,在低光強(qiáng)下的差異較小,高光強(qiáng)下差異較大,這可能是某些細(xì)菌的不耐光性引起的。

圖11 不同光照強(qiáng)度菌藻共生系統(tǒng)PCA

2.8.3 微生物群落結(jié)構(gòu)組成

圖12(a)為不同光強(qiáng)的菌藻共生優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門水平的相對(duì)分布。各試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、浮霉菌門 (Planctomycetes)、藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)和脫硫桿菌門(Desulfobacterota)。其中變形菌門的豐度最高,2 000、4 500、7 000、9 500 lux時(shí)分別為84.32%、88.46%、75.38%、71.97%。Mével等[44]的研究表明,Proteobacteria 具有降解有機(jī)物和硝化-反硝化的功能。因此,本試驗(yàn)中,脫氮效果與Proteobacteria的豐度呈現(xiàn)正相關(guān),并且在Proteobacteria豐度較高的光照強(qiáng)度為4 500 lux的共生系統(tǒng)中,脫氮效果最好。隨著光照強(qiáng)度的增加,Bacteroidetes的豐度逐漸升高。這是由于藻類的生長(zhǎng)會(huì)抑制Bacteroidetes的生長(zhǎng)[45],但是到試驗(yàn)后期,高光照強(qiáng)度對(duì)藻細(xì)胞造成損傷,小球藻逐漸走向衰亡,Bacteroidetes生長(zhǎng)不受限制,豐度增加。相似的是,Planctomycetes在高光照強(qiáng)度下的豐度也明顯高于中低光強(qiáng),許多研究[46-51]報(bào)道了藻華后Planctomy-cetes的高豐度。同時(shí),長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度光照會(huì)使得共生系統(tǒng)中的Cyanobacteria豐度增加,藍(lán)藻細(xì)菌的過(guò)度生長(zhǎng)可能形成有害的藻華,并導(dǎo)致海產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)問(wèn)題[52]。由此可見(jiàn),光照強(qiáng)度會(huì)改變菌藻共生系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu),高強(qiáng)度的光照會(huì)降低硝化反硝化菌屬的豐度水平,增加不利于系統(tǒng)長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行菌屬的豐度。

圖12 不同光照強(qiáng)度下的菌藻共生系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌相對(duì)分布

圖12(b)為不同光照強(qiáng)度的菌藻共生優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬水平的相對(duì)分布。其中,占比最高的為Unclassified_f_Rhodobacteraceae、Aestuariicoccus和Ruegeria,均屬于α-變形菌綱的海洋紅桿菌科。據(jù)報(bào)道,海洋紅桿菌科是海洋微生物群的重要成員,占海洋原核生物DNA的40%[53],通過(guò)間接接觸促進(jìn)其他細(xì)菌物種的初始定殖和生物膜形成,是優(yōu)秀的生物膜形成生物[54]。同時(shí),海洋紅桿菌科是B12營(yíng)養(yǎng)缺陷原核生物和真核生物初級(jí)生產(chǎn)者的主要維生素供應(yīng)商,如綠藻、硅藻、甲藻、球藻和褐藻,而維生素B12是許多真核藻類所必需的生長(zhǎng)因子[55]。當(dāng)光照強(qiáng)度為4 500 lux時(shí),以上3種菌的豐度之和最高,這可能會(huì)增加小球藻的活性,并且促進(jìn)菌藻共生系統(tǒng)中EPS的分泌,使得細(xì)菌和微藻之間的信號(hào)交換更加便利,提高系統(tǒng)的處理效能。隨著光照強(qiáng)度的提高,Unclassified_f_Rhodobacteraceae和Aestuarii-coccus豐度之和逐步下降(2 000～9 500 lux時(shí)分別為62.03%、63.02%、41.70%和2.54%),而Ruegeria和Stappia豐度之和大幅提升(2 000～9 500 lux時(shí)分別為2.74%、3.84%、16.47%和53.88%)。這說(shuō)明光照強(qiáng)度會(huì)改變微生物屬水平的群落結(jié)構(gòu),提高光照強(qiáng)度,耐光的細(xì)菌會(huì)逐漸替代對(duì)光照不耐受的細(xì)菌。據(jù)報(bào)道[56],Ruegeria和Stappia的序列與光合細(xì)菌的序列非常相似,并且有助于在廣泛的海洋環(huán)境中參與C和N循環(huán)的好氧和厭氧過(guò)程。同時(shí),Muricauda、Marivita和Halomonas的豐度與光照強(qiáng)度也呈正相關(guān)的關(guān)系,研究[57-58]發(fā)現(xiàn),Muricauda、Marivita和Halomonas屬于需氧和化學(xué)異養(yǎng)菌,可以有效抑制微藻赤潮的發(fā)生。除此之外,光照強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)中的反硝化細(xì)菌也有明顯的抑制作用,光照強(qiáng)度為9 500 lux時(shí),Marinicella的豐度只有0.44%,2 000、4 500、7 000 lux時(shí)依次為7.54%、6.92%和6.61%。值得注意的是,Norank_f_Microscillaceae是SMX的降解菌,有利于降解高濃度SMX[59]。當(dāng)光照強(qiáng)度為4 500 lux的系統(tǒng)中,Norank_f_Microscilla-ceae的豐度最高,為8.7%,而在9 500 lux的系統(tǒng)中,只有0.18%。由此可見(jiàn),光照強(qiáng)度對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)有較大影響,過(guò)高的光照強(qiáng)度會(huì)降低處理海產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的效能。

2.9 機(jī)理分析

3 結(jié)論

(2)光照強(qiáng)度過(guò)低會(huì)限制微藻進(jìn)行光合作用,抑制微藻生長(zhǎng)。光照強(qiáng)度過(guò)高會(huì)抑制細(xì)菌活性,無(wú)法為微藻提供足夠的CO2進(jìn)行暗反應(yīng),微藻活性受到影響。

(3)細(xì)菌和微藻活性越高,EPS分泌量越多,SMX對(duì)二者的急性傷害越小。PN的大量分泌可以促進(jìn)SMX的轉(zhuǎn)運(yùn),提高SMX的去除率。

(4)光照強(qiáng)度對(duì)菌藻共生系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)有顯著影響。過(guò)高的光照強(qiáng)度會(huì)降低物種的多樣性和豐富度,使得系統(tǒng)中的細(xì)菌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟凸饧?xì)菌。光照強(qiáng)度與Muricauda、Marivita和Halomonas等抑制藻華的菌屬豐度呈正相關(guān),與反硝化細(xì)菌Marinicella的豐度呈負(fù)相關(guān)。合適的光照強(qiáng)度有助于提高SMX降解菌Norank_f_Microscillaceae的豐度。