聚苯乙烯微塑料對(duì)菌-藻顆粒污泥的影響機(jī)制研究

徐 航,張 冰,時(shí)文歆

聚苯乙烯微塑料對(duì)菌-藻顆粒污泥的影響機(jī)制研究

徐 航,張 冰*,時(shí)文歆

(重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院,三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

在成熟的好氧顆粒污泥(AGS)中接種小球藻,成功構(gòu)建了菌-藻共生好氧顆粒污泥(ABGS)系統(tǒng).開(kāi)展了聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)對(duì)ABGS系統(tǒng)的影響機(jī)制研究.研究表明:低濃度PS-MPs(1mg/L)對(duì)ABGS的生物量、藻類(lèi)生長(zhǎng)、沉降性能和污染物去除效率無(wú)明顯影響.相較于A(yíng)BGS對(duì)照組,高濃度PS-MPs(10mg/L和100mg/L)脅迫作用下ABGS的生物量、藻類(lèi)生長(zhǎng)、沉降性能受到了明顯抑制,葉綠素α/MLSS比值降低了0.19mg/g,污泥平均粒徑降低了200μm,顆粒污泥結(jié)構(gòu)逐漸松散破碎,有機(jī)物、氮和磷等污染物的去除效率分別降低了4.83%、5.06%和4.11%.此外,PS-MPs抑制了ABGS胞外聚合物(EPS)的分泌,降低了EPS中色氨酸和芳香族蛋白質(zhì)的含量.在微生物群落結(jié)構(gòu)組成方面,PS-MPs提高了ABGS系統(tǒng)內(nèi)物種多樣性,但抑制了疣微菌門(mén)(Verrucomicrobiota)、藍(lán)藻門(mén)(Cyanobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)等功能細(xì)菌的生長(zhǎng),不利于維持系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.

菌-藻顆粒污泥；微塑料；聚苯乙烯；污染物去除效率；胞外聚合物；微生物群落

好氧顆粒污泥(AGS)是微生物在選擇壓的驅(qū)動(dòng)作用下通過(guò)不斷粘附、凝聚而形成的顆粒狀聚集體,具有沉降性能好、耐高毒性、污染物去除效率高和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)特征[1].現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)表明,AGS技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯,但也存在一定的弊端,一方面是機(jī)械曝氣所需能耗較高,另一方面是在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,可能由于顆粒厭氧內(nèi)核破裂、絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng)或胞外聚合物(EPS)組分改變等原因,導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、出水水質(zhì)惡化甚至發(fā)生系統(tǒng)崩潰.

菌-藻共生好氧顆粒污泥(ABGS)是將AGS與菌-藻共生系統(tǒng)耦合而成的一種新型污水生物處理技術(shù).在A(yíng)BGS系統(tǒng)中,細(xì)菌和藻類(lèi)之間具有物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量循環(huán)等緊密的共生關(guān)系,例如,藻類(lèi)通過(guò)光合作用產(chǎn)生的O2可用于好氧細(xì)菌的代謝,好氧細(xì)菌氧化有機(jī)物產(chǎn)生的CO2可供給藻類(lèi)用于光合作用,減少溫室氣體排放[2].與AGS相比,ABGS沉降性能更好,污染物去除效率更高,顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng).劉怡等[3]研究發(fā)現(xiàn),在非曝氣條件下,ABGS系統(tǒng)中COD、NH4+-N、TN和PO43--P的平均去除效率與AGS系統(tǒng)相比分別提高了31.08%、23.97%、30.47%和22.17%.此外,ABGS可作為生物質(zhì)原料提取生物柴油以及生產(chǎn)乙醇等生物燃料.因此,ABGS系統(tǒng)具有減污降碳協(xié)同增效和資源能源高值轉(zhuǎn)化的雙重優(yōu)勢(shì),近年來(lái)備受關(guān)注[4].

微塑料(MPs)是指粒徑小于5mm的塑料[5],其粒徑微小、比表面積大、疏水性強(qiáng),能夠吸附環(huán)境中的有機(jī)污染物和重金屬,促進(jìn)污染物的遷移,加劇對(duì)水環(huán)境的污染[6].微塑料會(huì)隨著生活污水和雨水徑流不可避免地進(jìn)入污水處理廠(chǎng)(WWTP)[7-9].殷偉慶等[10]對(duì)鎮(zhèn)江市三座污水處理廠(chǎng)開(kāi)展微塑料調(diào)查,發(fā)現(xiàn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中檢出的微塑料主要包含聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)等,三座污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水中微塑料濃度分別為2226、2263和1950 個(gè)/L.Sun等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中微塑料濃度約為1～ 5.6mg/L.進(jìn)入污水處理廠(chǎng)的微塑料,其中99%以上會(huì)被污水多級(jí)處理工藝截留并轉(zhuǎn)移至污泥中[13].Li等[14]研究表明,我國(guó)28個(gè)污水處理廠(chǎng)污泥中微塑料的平均含量高達(dá)2.3′104個(gè)/(kg·干污泥).微塑料對(duì)污水生物處理效能產(chǎn)生的負(fù)面影響不容忽視.Zhao等[15]發(fā)現(xiàn)聚酰胺66(PA 66)微塑料會(huì)降低AGS系統(tǒng)中化學(xué)需氧量(COD)的去除效率,抑制微生物的生長(zhǎng).Qin等[16]表明聚醚砜(PES)微塑料會(huì)抑制微生物亞硝酸鹽還原酶的活性,降低AGS系統(tǒng)脫氮效率.

聚苯乙烯被廣泛用于制造食品包裝、塑料瓶和塑料餐具,聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)是污水處理廠(chǎng)中最常見(jiàn)的微塑料種類(lèi)之一.Long等[17]研究表明, PS-MPs在污水處理廠(chǎng)中大量累積,含量達(dá)到MPs總量的10.1%.PS-MPs對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)具有抑制作用.研究表明,PS-MPs降低了AGS的脫氮速率,在5mg/L濃度PS-MPs的長(zhǎng)期脅迫下,AGS系統(tǒng)的TN去除率由70%降低至60%,NH4+-N的去除率由100%降低至95%[18].Mao等[19]研究發(fā)現(xiàn),PS-MPs對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)也存在抑制作用,在PS-MPs脅迫作用下,蛋白核小球藻()細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),類(lèi)囊體扭曲,細(xì)胞膜受損,5、10和100mg/L濃度的PS-MPs對(duì)其生長(zhǎng)的抑制率分別為21.0%、29.0%和38.5%.然而,PS-MPs的長(zhǎng)期暴露對(duì)以細(xì)菌和藻類(lèi)為群落結(jié)構(gòu)主體的ABGS系統(tǒng)產(chǎn)生何種影響目前尚不明確.

本研究通過(guò)分析不同濃度PS-MPs對(duì)ABGS系統(tǒng)的理化特性(沉降性能、生物質(zhì)含量和顆粒粒等)、污染物去除效能(有機(jī)物、氮和磷)和EPS含量與組分的影響,以及暴露于PS-MPs下微生物群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,揭示PS-MPs對(duì)ABGS系統(tǒng)的影響機(jī)制,研究結(jié)果可為ABGS污水處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與水質(zhì)組成

實(shí)驗(yàn)所用接種藻種(FACHB- 31)購(gòu)自武漢水生生物研究所淡水藻類(lèi)培養(yǎng)庫(kù).接種時(shí)其葉綠素a(Chl-a)濃度為11.27mg/L.采用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)成熟的AGS作為接種污泥,其混合液懸浮固體濃度(MLSS)為2.83g/L,污泥體積指數(shù)(SVI5)為70.12mL/g.小球藻和AGS的接種比例為1:7(體積比,/),接種后MLSS為2.51g/L,SVI5為80.09mL/g,接種培養(yǎng)10d后正式開(kāi)展實(shí)驗(yàn).

PS-MPs購(gòu)自瑞科科技有限公司(無(wú)錫).PS-MPs為白色粉末,顯微鏡下觀(guān)察呈現(xiàn)規(guī)則圓球狀,平均粒徑為50μm.在投加PS-MPs之前,將其在250W和40kHz下超聲處理10min,避免其在模擬生活污水中發(fā)生聚集.

本實(shí)驗(yàn)采用人工配制的模擬生活污水作為進(jìn)水,進(jìn)水水質(zhì)組成如表1所示.

表1 模擬生活污水組成成分

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行方式

如圖1所示,實(shí)驗(yàn)裝置主體為4個(gè)有效體積為0.8L的光生物反應(yīng)器,分別標(biāo)記為R1、R2、R3和R4.將其放置于振蕩速度為150r/min的搖床中(25±2) ℃,構(gòu)建非曝氣條件下的AGS和ABGS系統(tǒng).其中,R1和R2分別為AGS和ABGS系統(tǒng),R3和R4分別為投加PS-MPs的AGS和ABGS系統(tǒng).R2和R4采用LED燈帶進(jìn)行光照,光照強(qiáng)度約為200μmol/m2·s,光照周期為12h亮相/12h暗相,R1和R3進(jìn)行了遮光處理.控制AGS系統(tǒng)和暗相ABGS系統(tǒng)的溶解氧(DO)濃度為4～5mg/L,亮相ABGS系統(tǒng)的DO濃度為6～7mg/L.反應(yīng)器采用間歇方式運(yùn)行,運(yùn)行周期為12h,包括進(jìn)水1min、振蕩715min、沉降3min和排水2min,體積交換比為50%,水力停留時(shí)間(HRT)為24h.根據(jù)PS-MPs的投加濃度,將整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期劃分為3個(gè)階段.第一階段(1～20d),根據(jù)污水中PS-MPs的實(shí)際濃度,向R3和R4中投加1mg/L PS-MPs.考慮到塑料使用量的快速增加以及微塑料在環(huán)境中的累積效應(yīng)[20],在第二階段(21～40d)和第三階段(41～60d),將PS-MPs投加濃度分別提升至10mg/L和100mg/L,以研究高濃度PS-MPs對(duì)ABGS系統(tǒng)的影響.

圖1 反應(yīng)裝置示意

1.3 檢測(cè)指標(biāo)與方法

MLSS、SVI5、COD、PO43--P、NH4+-N、NO2--N、NO3--N等指標(biāo)按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[21].污泥表觀(guān)形態(tài)采用數(shù)碼相機(jī)拍照記錄.污泥的微觀(guān)形態(tài)采用掃描電子顯微鏡(SEM,ZEISS Gemini 300,德國(guó))觀(guān)察.污泥的粒徑分布采用Malvern 3000激光粒度儀分析.

ABGS中藻類(lèi)生物質(zhì)濃度通過(guò)葉綠素(Chl-)含量表示[22].采用熱提取法提取污泥中的緊密結(jié)合型胞外聚合物(TB-EPS)和松散結(jié)合型胞外聚合物(LB-EPS).EPS樣品中蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)的含量分別采用BCA試劑盒(Sigma-Aldrich)和苯酚-硫酸法[23]進(jìn)行測(cè)定.采用三維熒光光譜儀(FP-6500,日本JASCO公司)記錄EPS樣品的激發(fā)-發(fā)射矩陣光譜圖(EEM)并分析EPS中熒光類(lèi)物質(zhì)的組成成分.

采用16s rRNA和18s rRNA基因高通量測(cè)序技術(shù)分析顆粒污泥中微生物和藻類(lèi)群落結(jié)構(gòu)的多樣性和組成.采用E.Z.N.A.?土壤DNA試劑盒(Omega,美國(guó))提取顆粒污泥的DNA,細(xì)菌16s rRNA的V3-V4區(qū)擴(kuò)增引物為338F和806R,18s rRNA擴(kuò)增引物為P23SrV-1F和P23SrV-1R,按照Z(yǔ)hang等[24]的方法進(jìn)行基因測(cè)序和生物信息學(xué)分析.

本研究中的分析測(cè)試重復(fù)三次,并通過(guò)方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性,<0.05代表結(jié)果差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥理化特性的變化

在60d的實(shí)驗(yàn)周期中,4組反應(yīng)器內(nèi)的生物量均呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)(圖2a).在PS-MPs濃度為1mg/L的階段,R1和R3系統(tǒng)中的MLSS含量差異不明顯,同時(shí)R2和R4的MLSS含量也未有顯著差異(>0.05).當(dāng)PS-MPs濃度提升至10mg/L和100mg/L后,與R1和R2相比,R3和R4的MLSS含量均受到了顯著抑制(<0.05),至實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?第60d),其MLSS含量分別降低了0.31g/L和0.26g/L.分析認(rèn)為,顆粒污泥對(duì)低濃度PS-MPs具有一定的耐受性,而在高濃度PS-MPs暴露下,顆粒污泥中的微生物細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),細(xì)菌生長(zhǎng)受到抑制,從而降低了AGS和ABGS系統(tǒng)中的生物量.

藻類(lèi)接種后,R2和R4系統(tǒng)內(nèi)的初始葉綠素a/MLSS比值為1.21mg/g,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),該比值逐漸增加并趨于穩(wěn)定(圖2b).藻類(lèi)生物量的提高可能是由于光照激活了藻細(xì)胞的卡爾文循環(huán)的暗反應(yīng),通過(guò)光合作用吸收CO2并將其以有機(jī)物的形式儲(chǔ)存[25].在PS-MPs濃度為1mg/L的階段,R2和R4系統(tǒng)中葉綠素a含量無(wú)顯著差別,當(dāng)PS-MPs濃度提升至10mg/L后,R4系統(tǒng)中葉綠素α含量增加速率比R2緩慢,說(shuō)明高濃度PS-MPs對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)存在顯著抑制作用(<0.05),且隨著PS-MPs濃度進(jìn)一步升高,葉綠素a含量的增加速率更加緩慢.至第60d時(shí),R4系統(tǒng)中葉綠素a/MLSS比值(1.42mg/g)明顯低于R2(1.61mg/g).分析認(rèn)為,PS-MPs會(huì)吸附在藻細(xì)胞的表面,阻止一部分光照射,阻礙了物質(zhì)和氣體的交換和轉(zhuǎn)移,從而抑制藻類(lèi)的光合作用,影響藻類(lèi)利用光能的效率,抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)[26-28].

隨著生物量的增加,4組反應(yīng)器中的污泥沉降性能均有所改善(圖2c).至第60d時(shí),R1和R3系統(tǒng)內(nèi)污泥的SVI5由80.09mL/g分別下降至66.90L/g和70.52L/g,R2和R4系統(tǒng)內(nèi)的SVI5分別下降至58.62mL/g和62.54mL/g.研究結(jié)果表明ABGS比AGS具有更好的沉降性能,且相比于對(duì)照組,高濃度PS-MPs(10mg/L和100mg/L)顯著抑制了AGS和ABGS的沉降性能(<0.05).分析認(rèn)為,相比于對(duì)照組,高濃度PS-MPs的持續(xù)暴露使ABGS中絲狀細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)(圖3h),沉降性能降低.如圖2d可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)?zāi)┢赗1和R2系統(tǒng)中的污泥平均粒徑達(dá)到1100mm左右,高于R3和R4系統(tǒng)中的污泥平均粒徑(900μm). PS-MPs暴露下,顆粒污泥結(jié)構(gòu)疏松破碎,導(dǎo)致污泥的平均粒徑降低.

圖2 反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中顆粒污泥理化特性的變化情況(1-20d: PS-MPs濃度1mg/L; 21-40d: PS-MPs濃度10mg/L; 41-60d: PS-MPs濃度100mg/L)

a. MLSS; b. SVI5; c. ABGS系統(tǒng)中葉綠素α含量及葉綠素α/MLSS比值; d. 粒徑

2.2 污泥形貌特征

如圖3所示,實(shí)驗(yàn)前期(第10d),R1和R3系統(tǒng)中的AGS為淡黃色,粒徑大小不一,且形狀不規(guī)則.隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,顆粒污泥形狀變得規(guī)則,邊緣平滑,結(jié)構(gòu)更加密實(shí).實(shí)驗(yàn)后期(第60d),在A(yíng)GS表面觀(guān)察到絲狀細(xì)菌的生長(zhǎng).R2和R4系統(tǒng)中的顆粒污泥在實(shí)驗(yàn)前期(第10d)呈現(xiàn)黃綠色,邊界較為清晰,表明小球藻在反應(yīng)器內(nèi)適應(yīng)性良好,與AGS相結(jié)合形成了ABGS.隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,大部分ABGS變?yōu)樯罹G色,值得注意的是,實(shí)驗(yàn)后期(第60d),R4中ABGS表面覆蓋了大量的絲狀菌,導(dǎo)致顆粒變得粗糙而松散.

a. R1-10d; b. R1-60d; c. R2-10d; d. R2-60d; e. R3-10d; f. R3-60d; g. R4-10d; h. R4-60d

a、b.第60d R1中AGS的SEM圖片; c、d.第60d R2中ABGS的SEM圖片; e、f.第60d R3中AGS的SEM圖片; g、h.第60d R4中ABGS的SEM圖片; i、j.ABGS中PS-MPs的SEM圖片

采用SEM進(jìn)一步觀(guān)察實(shí)驗(yàn)后期顆粒污泥的微觀(guān)形態(tài).如圖4所示,AGS和ABGS表面主要由桿狀菌和球菌所組成,且有原生動(dòng)物附著在顆粒污泥表面,表明系統(tǒng)出水水質(zhì)良好[29].同時(shí),在R4系統(tǒng)中觀(guān)察到了PS-MPs顆粒粘附并嵌入于顆粒污泥表層.黃曉樺[18]在研究聚苯乙烯對(duì)好氧顆粒污泥的影響機(jī)制中同樣發(fā)現(xiàn),大量的PS-MPs吸附于A(yíng)GS細(xì)菌的表面,且隨著微塑料濃度的提高,細(xì)菌表面吸附的PS-MPs數(shù)量大量增加.在200mg/L PS-MPs實(shí)驗(yàn)組中,PS-MPs密集排列并覆蓋在細(xì)菌的表面.因此,推測(cè)PS-MPs進(jìn)入顆粒污泥系統(tǒng)后,會(huì)被顆粒污泥裹挾黏附并截留于顆粒污泥中.此外,R4中顆粒污泥表面也存在大量的絲狀菌.絲狀菌是顆粒污泥的結(jié)構(gòu)骨架,被認(rèn)為是顆粒穩(wěn)定性的重要因素,然而絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致污泥系統(tǒng)穩(wěn)定性惡化[30-32].

2.3 胞外聚合物的含量與組成

圖5 反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中顆粒污泥EPS含量的變化

a. R1; b. R2; c. R3; d. R4

2.3.1 胞外聚合物的含量 EPS主要來(lái)源于細(xì)胞分泌、細(xì)胞代謝、細(xì)胞死亡以及廢水中吸附的有機(jī)物,顆粒污泥分泌的EPS對(duì)顆粒的形成過(guò)程和穩(wěn)定性以及保護(hù)微生物免受外部有毒污染物的毒害作用等方面發(fā)揮著重要作用[33].如圖5所示,4個(gè)系統(tǒng)中EPS含量均呈持續(xù)上升的變化趨勢(shì),但不同系統(tǒng)中的EPS含量存在明顯差異.在低濃度PS-MPs (1mg/L)暴露下,AGS和ABGS的EPS分泌受到了抑制作用,當(dāng)PS-MPs濃度提升至10mg/L和100mg/L時(shí),其對(duì)EPS分泌的抑制作用更加顯著(<0.05).至實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?第60d),R2中EPS含量(97.35mg/g MLSS)>R4 (91.22mg/g MLSS)>R1(85.23mg/g MLSS)>R3 (79.72mg/g MLSS),表明在PS-MPs脅迫作用下, ABGS比AGS分泌了更多的EPS以抵抗PS-MPs的毒性.同時(shí),R3系統(tǒng)中PN/PS比值(4.12)低于R1(4.80),R4系統(tǒng)中的PN/PS比值(4.63)低于R2 (5.40).相關(guān)研究表明,PN是顆粒污泥EPS中的主要成分,其含量的大幅提高有助于增強(qiáng)細(xì)胞表面的疏水性,有利于細(xì)菌相互粘附,對(duì)促進(jìn)顆粒化過(guò)程及維持顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的作用,PN/PS比值變化與污泥的聚集性能呈正相關(guān),較高的PN/PS比值表明顆粒表面具有較低的表面電荷和較高的表面疏水性,有利于細(xì)胞間發(fā)生聚集[34-36].因此,PS- MPs對(duì)AGS和ABGS顆粒污泥細(xì)胞的聚集性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均存在一定的負(fù)面影響.除此之外,R4系統(tǒng)中PN/PS比值比R3系統(tǒng)提高了0.51,表明在PS-MPs暴露下,ABGS分泌了更多PN,相較于A(yíng)GS具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.

2.3.2 胞外聚合物的熒光組分 采用三維熒光光譜(3D-EEM)分析實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?第60d)AGS和ABGS中EPS的熒光組分和強(qiáng)度的差異,結(jié)果如圖6所示示.AGS和ABGS中提取的EPS均存在兩個(gè)吸收峰,即峰A(x/m:280/360nm)和峰B(x/m:225/345- 355nm),分別代表蛋白質(zhì)衍生的色氨酸物質(zhì)和芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì),這兩種蛋白質(zhì)是顆粒污泥EPS的主要成分,有利于顆粒污泥的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持[37].研究結(jié)果表明,AGS和ABGS樣品中EPS熒光組分沒(méi)有明顯的差異,且PS-MPs沒(méi)有明顯改變AGS和ABGS的熒光組分.

比較實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诟鹘M顆粒污泥TB-EPS和LB- EPS中峰A和峰B的熒光強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)ABGS中峰A和峰B的熒光強(qiáng)度明顯高于A(yíng)GS,表明相比于A(yíng)GS, ABGS中色氨酸物質(zhì)和芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)含量更高.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),R3系統(tǒng)中峰A和峰B的熒光強(qiáng)度分別為1920.35(TB-EPS)和1746.43(TB- EPS),相較于R1分別降低了974.76(TB-EPS)和786.25(TB- EPS);R4中峰A和峰B的熒光強(qiáng)度分別為2756.33 (TB-EPS)和2308.21(TB-EPS),相較于R2分別降低了639.56(TB-EPS)和614.30(TB-EPS).研究結(jié)果表明,PS-MPs脅迫作用降低了AGS和ABGS中色氨酸物質(zhì)和芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)的含量,不利于A(yíng)GS和ABGS系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖6 顆粒污泥LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM圖譜

a、e.R1系統(tǒng)中的LB-EPS和TB-EPS; b、f.R2系統(tǒng)中的LB-EPS和TB-EPS; c、g.R3系統(tǒng)中的LB-EPS和TB-EPS; d、h.R4系統(tǒng)中的LB-EPS和TB-EPS

2.4 污染物的去除效果

圖7為反應(yīng)器運(yùn)行期間COD、NH4+-N、TN、PO43--P的去除效能.R2系統(tǒng)中的污染物去除效率始終維持穩(wěn)定,至實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?第60d),COD、NH4+-N、TN和PO43--P的去除效率分別達(dá)到91.43%、92.32%、91.54%和91.45%,與R1系統(tǒng)相比分別提高了5.83%、5.36%、6.36%和5.89%.這表明在非曝氣條件下,ABGS系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物和氮磷等污染物的去除效果顯著優(yōu)于A(yíng)GS系統(tǒng)(<0.05).此外,R4系統(tǒng)中的污染物去除效率顯著高于R3系統(tǒng)(<0.05),表明在PS-MPs暴露下,ABGS相較于A(yíng)GS仍具有更好的污染物去除效能.分析認(rèn)為,ABGS除了通過(guò)硝化作用去除NH4+-N外,ABGS中的微藻還可以吸收一部分NH4+-N用于細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝.此外,ABGS系統(tǒng)中微藻能夠通過(guò)吸收聚磷酸鹽去除約10%的可溶性磷[32].因此,ABGS系統(tǒng)中NH4+-N和PO43--P去除效率較高的原因可能是由于藻類(lèi)對(duì)氮和磷的吸收作用.通過(guò)對(duì)比R2和R4系統(tǒng)中污染物的去除效果,發(fā)現(xiàn)1mg/L的PS-MPs對(duì)污染物去除效率的負(fù)面影響不明顯(>0.05),而10mg/L和100mg/L的PS-MPs顯著降低了碳、氮和磷的去除效率(<0.05).至實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?R4系統(tǒng)中COD、NH4+-N、TN和PO43--P的去除效率分別比R2系統(tǒng)降低了4.83%、4.26%、5.06%和4.11%.分析認(rèn)為,PS-MPs會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌和藻類(lèi)細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),產(chǎn)生過(guò)多的活性氧會(huì)損傷細(xì)胞膜上的酶蛋白,還會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損,細(xì)胞發(fā)生裂解作用并失活,進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)物和NH4+-N去除效率降低[11].另有研究表明,PS-MPs會(huì)削弱脫氮除磷相關(guān)功能細(xì)菌的相對(duì)豐度,從而抑制NH4+-N和PO43--P的去除效率[38-40].

圖7 反應(yīng)器運(yùn)行期間污染物去除效果

a.COD; b.NH4+-N; c.PO43--P

2.5 微生物群落結(jié)構(gòu)

如表2所示,4個(gè)樣品的物種Coverage指數(shù)均大于99%,表明測(cè)序結(jié)果能夠反映樣品中微生物分類(lèi)的真實(shí)性.通常采用ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)評(píng)估微生物群落豐富度,采用Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)表征微生物的物種多樣性.對(duì)比不同顆粒污泥樣品中的ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)可知,AGS系統(tǒng)(R1和R3)中ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)高于A(yíng)BGS系統(tǒng)(R2和R4),且AGS系統(tǒng)中Simpson指數(shù)低于A(yíng)BGS系統(tǒng),說(shuō)明藻類(lèi)的生長(zhǎng)降低了ABGS系統(tǒng)內(nèi)微生物的群落豐富度和物種多樣性.此外,R4系統(tǒng)中Shannon指數(shù)(3.465)高于R2系統(tǒng)(3.325),且R4系統(tǒng)中Simpson指數(shù)(0.151)低于R2系統(tǒng)(0.154),表明PS-MPs提高了ABGS系統(tǒng)內(nèi)的物種多樣性.分析認(rèn)為,在PS-MPs脅迫作用下,ABGS系統(tǒng)內(nèi)的微生物種類(lèi)發(fā)生了演替,微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性有利于維持系統(tǒng)穩(wěn)態(tài),抵抗外界不良環(huán)境的干擾[41].

表2 微生物群落豐富度和多樣性分析

在門(mén)分類(lèi)水平上,變形菌門(mén)(Proteobacteria)和綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)是AGS和ABGS系統(tǒng)中的主要優(yōu)勢(shì)菌群(圖8a).其中,變形菌門(mén)(Proteobacteria)是最具優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌門(mén).對(duì)比其相對(duì)豐度發(fā)現(xiàn),投加PS- MPs提高了ABGS系統(tǒng)中變形菌門(mén)(Proteobacteria)的相對(duì)豐度.此外,R4系統(tǒng)中綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)的相對(duì)豐度與R2系統(tǒng)相比下降了4.64%.此類(lèi)細(xì)菌可以與絲狀菌相互纏繞形成穩(wěn)定的生物聚集體,加固顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[42],這種細(xì)菌相對(duì)豐度的降低可能是導(dǎo)致ABGS結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因之一.R4系統(tǒng)中疣微菌門(mén)(Verrucomicrobiota)的相對(duì)豐度(2.76%)明顯低于R2系統(tǒng)(6.11%),說(shuō)明在A(yíng)BGS系統(tǒng)中疣微菌門(mén)(Verrucomicrobiota)對(duì)PS-MPs的毒性作用較為敏感.疣微菌門(mén)(Verrucomicrobiota)在降解有機(jī)物方面發(fā)揮著重要作用[43],這與PS-MPs暴露下ABGS系統(tǒng)中COD去除效率下降的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符(圖7).此外,R2系統(tǒng)中藍(lán)藻門(mén)(Cyanobacteria)的相對(duì)豐度(25.76%)高于R4系統(tǒng)(20.09%),表明PS-MPs對(duì)ABGS中藍(lán)藻門(mén)(Cyanobacteria)的生長(zhǎng)具有一定的抑制作用.

在綱分類(lèi)水平上,a-變形菌綱(Alphaproteobacteria)和g-變形菌綱(Gammaproteobacteria)是4個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌群,但其相對(duì)豐度存在較大差異(圖8b).R4系統(tǒng)中α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)的相對(duì)豐度比R2系統(tǒng)降低了2.55%,且R4系統(tǒng)中γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)的相對(duì)豐度(10.54%)明顯低于R2系統(tǒng)(35.52%).大多數(shù)屬于α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)和γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)的細(xì)菌都是EPS產(chǎn)生菌,這兩種細(xì)菌的生長(zhǎng)有利于細(xì)胞之間的粘附和聚集,在維持顆粒穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用錯(cuò)誤.因此,ABGS系統(tǒng)中EPS分泌減少的原因可能是這兩種細(xì)菌的生長(zhǎng)受到PS-MPs的抑制作用.

圖8 顆粒污泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)組成

a.細(xì)菌在門(mén)水平分布; b.細(xì)菌在綱水平分布; c.細(xì)菌在屬水平分布; d.藻類(lèi)在屬水平分布

在屬分類(lèi)水平上,新巨隆線(xiàn)蟲(chóng)屬(Neomegalonema)、絲硫菌屬()、屬和屬是4個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌群(圖8c).R4系統(tǒng)中新巨隆線(xiàn)蟲(chóng)屬()的相對(duì)豐度(36.13%)明顯高于R2系統(tǒng)(3.74%).該屬屬于a-變形菌綱(),是一種絲狀細(xì)菌[45].顆粒污泥中的不同菌群會(huì)競(jìng)爭(zhēng)污水中的碳源、溶解氧和必需的生長(zhǎng)因子.高晨晨等[46-47]研究發(fā)現(xiàn),污泥中的絲狀細(xì)菌與脫氮功能菌存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,絲狀細(xì)菌在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位并大量增殖,相對(duì)豐度上升.此外,馬燁姝[48]發(fā)現(xiàn)絲狀細(xì)菌在與聚磷菌和聚糖菌的競(jìng)爭(zhēng)中更具優(yōu)勢(shì),絲狀菌增殖時(shí),聚磷菌和聚糖菌的豐度降低.因此,在PS-MPs暴露下, ABGS系統(tǒng)中的有機(jī)物、氮和磷等污染物降解菌的生長(zhǎng)受到抑制,而與此競(jìng)爭(zhēng)的絲狀細(xì)菌吸收更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)而大量生長(zhǎng),推測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)┢赗4系統(tǒng)中污泥沉降性能下降可能是由于此類(lèi)細(xì)菌的過(guò)度生長(zhǎng)所致.除此之外,投加PS-MPs降低了ABGS系統(tǒng)中絲硫菌屬()和屬的相對(duì)豐度.其中,是一種EPS產(chǎn)生菌[49],其相對(duì)豐度的降低與較低的EPS含量相一致(圖5).R4系統(tǒng)中屬的相對(duì)豐度(1.50%)低于R2系統(tǒng)(5.58%),該屬有利于形成粘性EPS黏附在顆粒污泥生物膜上,以保護(hù)自身免受不利環(huán)境影響,與顆粒污泥穩(wěn)定性密切相關(guān)[50-51].其豐度的下降可能是ABGS系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的原因之一.

ABGS系統(tǒng)中的藻類(lèi)在屬水平上的相對(duì)豐度如圖8d所示.R2和R4中真核藻類(lèi)群落主要包括四鏈藻屬()和麥可屬().R4系統(tǒng)中四鏈藻屬()的相對(duì)豐度(20.15%)明顯低于R2系統(tǒng)(31.18%).該屬具有高效除磷潛力,可在短時(shí)間內(nèi)凈化廢水,是一種廢水修復(fù)藻株[52-53].R4系統(tǒng)中麥可屬()的相對(duì)豐度(32.21%)明顯低于R2系統(tǒng)(49.27%).該屬可利用多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和多種波長(zhǎng)的光進(jìn)行光合作用并去除廢水中的污染物[54-55].綜上所述,相對(duì)于R2系統(tǒng),R4系統(tǒng)中的有機(jī)物、氮和磷等污染物去除效率較低的原因可能是這兩種藻屬的生長(zhǎng)受到了PS-MPs的抑制作用.

以上結(jié)果表明,PS-MPs選擇性抑制了ABGS系統(tǒng)內(nèi)特定的細(xì)菌種類(lèi).在PS-MPs的長(zhǎng)期影響下,相關(guān)功能細(xì)菌豐度的變化導(dǎo)致ABGS系統(tǒng)的污染物去除效率下降和EPS分泌量減少,并導(dǎo)致ABGS系統(tǒng)穩(wěn)定性降低.

3 結(jié)論

3.1 在非曝氣條件下成功構(gòu)建了ABGS系統(tǒng).低濃度PS-MPs(1mg/L)對(duì)ABGS的生物量、沉降性能和藻類(lèi)光合作用幾乎無(wú)影響,而在高濃度PS-MPs (10mg/L和100mg/L)暴露下,ABGS的生物量增長(zhǎng)和沉降性能受到了抑制,ABGS中藻類(lèi)的光合作用被抑制,顆粒污泥結(jié)構(gòu)松散并逐漸破碎解體.

3.2 PS-MPs對(duì)ABGS的EPS分泌具有抑制作用,且濃度越高抑制作用越明顯,在PS-MPs的脅迫作用下,ABGS的EPS總含量降低了6.13mg/g MLSS, PN/PS比值降低了0.77,色氨酸物質(zhì)和芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)的分泌受到了抑制,不利于微生物之間發(fā)生聚集及顆粒污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性維持.

3.3 低濃度PS-MPs(1mg/L)對(duì)ABGS系統(tǒng)中的污染物去除效率影響不明顯,但在高濃度PS-MPs (10mg/L和100mg/L)脅迫作用下,碳、氮和磷的去除效率降低了4.11%～5.06%.

3.4 PS-MPs的長(zhǎng)期脅迫作用刺激了絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng),同時(shí)抑制了屬和屬等功能細(xì)菌的生長(zhǎng),推測(cè)這是導(dǎo)致系統(tǒng)污染物去除效率降低、EPS產(chǎn)生量減少和系統(tǒng)穩(wěn)定性降低的生物學(xué)機(jī)制.

3.5 與AGS相比,ABGS具有更好的沉降性能、除污效能和更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,特別是ABGS對(duì)較低濃度PS-MPs的耐受性較好,在含微塑料的廢水處理中具有較為廣闊的應(yīng)用前景.

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Unravelling the influencing mechanism of polystyrene microplastics on the algal-bacterial granular sludge systems.

XU Hang, ZHANG Bing*, SHI Wen-xin

(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, College of Environment and Ecology, Chongqing University, Chongqing 400045, China)., 2023,43(10)：5562～5573

The algal-bacterial granular sludge (ABGS) system was established by inoculating the mature aerobic granular sludge (AGS) and targeted algae (). The effects of polystyrene microplastics (PS-MPs) on the ABGS system was investigated in this study. Results indicated that low concentrations of PS-MPs (1mg/L) had no significant effect on the biomass content, algal growth, sludge settling performance and pollutant removal efficiency of ABGS. Compared with the control group, the biomass content, algal growth and sludge settling performance of ABGS were inhibited under the pressure of high concentrations of PS-MPs (10mg/L and 100mg/L). To be specific, the ratio of chlorophyll α to MLSS decreased by 0.19mg/g, and the average particle size of sludge decreased by 200μm. Meanwhile, the granular sludge structure gradually became loosely and disintegrated. The removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD), nitrogen, phosphorus of ABGS system were significantly decreased by 4.83%, 5.06% and 4.11%, respectively. In addition, PS-MPs inhibited the secretion of extracellular polymer substance (EPS) of ABGS, especially for the tryptophan and aromatic proteins. In terms of the microbial community structure, PS-MPs improved the diversity of bacterial species in the ABGS system, but inhibited the growth of functional bacteria (such as,and), which were not conducive to maintaining the long-term stability of ABGS system.

algal-bacterial granular sludge (ABGS)；microplastics；polystyrene；pollutant removal efficiency；extracellular polymeric substance (EPS)；microbial community structure

X703.1

A

1000-6923(2023)10-5562-12

2023-02-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52000014)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhangbing@cqu.edu.cn

徐 航(1998-),男,重慶銅梁人,重慶大學(xué)碩士研究生,主要從事污水生物處理技術(shù)方面研究.2906878617@qq.com.

徐 航,張 冰,時(shí)文歆.聚苯乙烯微塑料對(duì)菌-藻顆粒污泥的影響機(jī)制研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5562-5573.

Xu H, Zhang B, Shi W X, et al. Unravelling the influencing mechanism of polystyrene microplastics on the algal-bacterial granular sludge systems [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5562-5573.