磁環(huán)境下AAO工藝中的微生物群落演替規(guī)律

王 越,王嘉斌,*,趙培海,宋 健

(1.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院,山東濟(jì)南 250002;2.利津縣勝瑞城市建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東東營(yíng) 257400;3.山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司,山東濟(jì)南 250109)

AAO工藝被廣泛地應(yīng)用于世界各地的污水處理廠以處理各種類(lèi)型的水污染物,是應(yīng)用最為成熟的城市污水生物處理工藝之一[1]。近些年,人們逐漸發(fā)現(xiàn)常規(guī)AAO工藝活性污泥的菌群結(jié)構(gòu)中,進(jìn)一步提升反硝化菌、硝化菌相對(duì)豐度的難度較大,其脫氮除磷效能提升遇到了瓶頸,難以滿足愈加嚴(yán)苛的氮、磷等無(wú)機(jī)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步提升其處理效能,AAO工藝結(jié)構(gòu)被多次改良與優(yōu)化。Zhang等[2]通過(guò)AAO反應(yīng)器與曝氣生物濾池結(jié)合的方式,強(qiáng)化了AAO反應(yīng)器的反硝化過(guò)程,提升了AAO工藝對(duì)總氮的去除率。Huang等[3]通過(guò)電場(chǎng)與AAO工藝結(jié)合的方式,改善活性污泥中微生物的群落結(jié)構(gòu),促進(jìn)了多種類(lèi)型脫氮細(xì)菌的生長(zhǎng)。吳延虎等[4]發(fā)現(xiàn)懸浮填料可以強(qiáng)化活性污泥中的優(yōu)勢(shì)菌群,使其具有更強(qiáng)的脫氮效率。Li[5]等構(gòu)建以移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)為生物載體的AAO反應(yīng)器,優(yōu)化了碳源消耗和微生物群落結(jié)構(gòu)。Wang等[6]利用生物膜強(qiáng)化的AAO反應(yīng)器,使AAO具有更高的反硝化能力和更合理的菌群結(jié)構(gòu)。Fan等[7]通過(guò)分段配水的方式,優(yōu)化了AAO的群落結(jié)構(gòu)。

近些年的研究發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)作為一種穩(wěn)定且高效的輔助方法,在生物脫氮方面有著巨大的潛力[8]。Wang等[9]發(fā)現(xiàn)靜磁場(chǎng)改變了膜生物反應(yīng)器(MBR)內(nèi)微生物種群的群落結(jié)構(gòu)和相對(duì)豐度占比,使MBR具有更高的污染物去除率。Hu等[10]通過(guò)對(duì)序批式反應(yīng)器(SBR)的生物磁效應(yīng)研究,證明了磁場(chǎng)可通過(guò)提高微生物的胞外聚合物和聚羥基丁酸酯合成的方式,強(qiáng)化微生物電子遷移能力,提升反應(yīng)器對(duì)總氮的去除率。Chen等[11]通過(guò)投加磁粉的方式,提升了MBBR硝化菌群與反硝化菌群的生物量,提升了整體的同步硝化反硝化效能,促進(jìn)總氮去除。Zaidi等[12]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)可以提升相關(guān)菌群的生物活性,增加污染物的去除性能和降解能力。Chen等[13]和Ceng等[14]研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)可以提升污泥指數(shù)(SVI)、污泥濃度(MLSS/MLVSS)等,加速好氧顆粒污泥(AGS)的形成,并在一定程度上改變系統(tǒng)中微生物的多樣性與均勻性,與無(wú)外磁場(chǎng)相比,磁環(huán)境下的微生物具有更高的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞活力相關(guān)的功能基因表達(dá)量。AAO工藝作為厭氧、缺氧及好氧環(huán)境交替并存,好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌混生的復(fù)雜生物體系,磁場(chǎng)對(duì)于各微生物種群的差異性影響及其對(duì)AAO處理效能的作用規(guī)律研究尚不夠深入。

本文擬在磁場(chǎng)環(huán)境下啟動(dòng)AAO反應(yīng)器,對(duì)比研究磁環(huán)境下AAO反應(yīng)器啟動(dòng)與污染物去除特性,解析其微生物群落結(jié)構(gòu)與功能基因的變化規(guī)律,并探究其分子生物學(xué)機(jī)理,為AAO工藝群落結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新的理論參考。

1 材料與方法

反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成(圖1),為長(zhǎng)方體,有效容積為40 L,厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的體積比為1∶1∶2,配備永磁體、計(jì)量泵、循環(huán)提升泵和曝氣裝置。

圖1 反應(yīng)器工藝流程

組建反應(yīng)器R1、R2,其中R1作為對(duì)照組不投加磁場(chǎng),R2通過(guò)角鋼架在反應(yīng)器兩側(cè)固定永磁體,其對(duì)反應(yīng)器施加的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度為5 mT。反應(yīng)器接種濟(jì)南市某大型污水廠的回流污泥區(qū)污泥,MLSS為3 500 mg/L;運(yùn)行溫度為21～24 ℃,污泥停留時(shí)間(SRT)為15 d,水力停留時(shí)間(HRT)為16 h,曝氣池溶解氧(DO)質(zhì)量濃度為2 mg/L,污泥回流比為50%,混合液回流比為200%。試驗(yàn)進(jìn)水采用人工模擬生活廢水,使用無(wú)水乙酸鈉、氯化銨配制進(jìn)水CODCr、氨氮;碳酸氫鈉、磷酸二氫鉀、無(wú)水硫酸鎂、無(wú)水氯化鈣為活性污泥提供常量元素,投加適量花園土壤浸出液提供微量元素,并通過(guò)碳酸氫鈉補(bǔ)充曝氣時(shí)消耗的堿度,使出水pH值維持在7～8。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器啟動(dòng)特性分析

兩組反應(yīng)器接種啟動(dòng)后,每天取樣一次測(cè)定進(jìn)水、出水的CODCr、氨氮、總氮,結(jié)果如圖2～圖4所示。磁場(chǎng)的存在使接種污泥更快適應(yīng)了新運(yùn)行環(huán)境,縮短了AAO反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程,磁場(chǎng)反應(yīng)器R2有更高的脫氮效率和更短的啟動(dòng)時(shí)間。R1的CODCr去除率在第18 d之后穩(wěn)定在90%(圖2),R2在14 d時(shí)開(kāi)始穩(wěn)定在90%以上。反應(yīng)器運(yùn)行至11 d時(shí),R2氨氮去除率達(dá)到95%以上,而R1反應(yīng)器一直緩慢提升,直到運(yùn)行16 d時(shí)氨氮去除率提升至90%(圖3),之后兩反應(yīng)器氨氮去除率均維持在95%以上。R2的平均總氮去除率比R1高6%,達(dá)到89%,且穩(wěn)定出水時(shí)間要比R1早5 d(圖4)。

圖2 不同反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程CODCr濃度變化及去除率

圖3 不同反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程氨氮濃度變化及去除率

圖4 不同反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程總氮濃度變化及去除率

在CODCr去除率相差不大的情況下,R2具有更高的總氮去除率,推測(cè)是因?yàn)榇艌?chǎng)環(huán)境的存在,影響到了碳源的消耗途徑,有更多的碳源供給反硝化過(guò)程,從而降低了反應(yīng)器出水的總氮濃度。

2.2 群落結(jié)構(gòu)分析

使用因美納公司的Illumina NovaSeq測(cè)序平臺(tái)對(duì)R1、R2反應(yīng)器30 d時(shí)的沉淀池污泥樣本與接種污泥留樣進(jìn)行雙末端測(cè)序,引物序列為CCTAYG-GGRBGCASCAG(341F)、GGACTACNNGGGTATCT-AAT(806R)。后經(jīng)過(guò)拼接過(guò)濾,操作分類(lèi)單元(OTUs)聚類(lèi),進(jìn)行物種注釋及豐度分析并創(chuàng)建小區(qū)域基因文庫(kù),最后使用PICRUSt分析方法推斷不同菌群的基因功能。

使用Qiime(Version 1.9.1)計(jì)算原生接種污泥(R)和R1、R2生物樣本的Chao 1、Ace、Shannon、Simpson和Good′s coverage 5項(xiàng)α多樣性指標(biāo),對(duì)每個(gè)樣本的覆蓋度的多樣性估計(jì)如表1所示。在本研究中,所有樣品的Good′s coverage覆蓋率均為0.993,確保了其檢查測(cè)效果的真實(shí)性。

表1 3組樣品中微生物的α多樣性指標(biāo)

如表1所示,R2中的微生物豐富度(由Chao 1和Ace估計(jì))和多樣性(由Shannon和Simpson估計(jì))較R1有較大幅度升高。說(shuō)明磁場(chǎng)的存在有利于提升物種多樣性,使脫氮細(xì)菌分布更加豐富[10,15]。

基于樣品OUTs進(jìn)行生物群落結(jié)構(gòu)主成分分析(PCA),結(jié)果如圖5所示。相對(duì)于R,兩組反應(yīng)器啟動(dòng)成功后的微生物群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生較大變化。隨著兩組反應(yīng)器的運(yùn)行,表現(xiàn)出了物種的優(yōu)勝劣汰現(xiàn)象,優(yōu)勢(shì)菌群出現(xiàn)更替并不斷壯大,部分種群消亡,群落物種多樣性降低。對(duì)比R1、R2的樣品生物多樣性可以發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)的存在有助于提升反應(yīng)器內(nèi)生物多樣性,提高群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這有可能是磁場(chǎng)的介入可以控制優(yōu)勢(shì)菌群的持續(xù)壯大,平衡了種群間的底物競(jìng)爭(zhēng),為部分非優(yōu)勢(shì)菌群提供了生存空間。

圖5 3組樣品中群落結(jié)構(gòu)PCA分析

為進(jìn)一步探究活性污泥的潛在途徑和功能,深入解析磁環(huán)境下AAO系統(tǒng)的工作機(jī)理,通過(guò)高通量測(cè)序的物種注釋與豐度分析,在門(mén)水平和屬水平上對(duì)樣本的物種組成和群落結(jié)構(gòu)相對(duì)豐度變化規(guī)律進(jìn)行了解析,如圖6～圖7所示。

圖7 屬水平微生物群落相對(duì)豐度

從門(mén)水平(圖6)看,變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidota)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)是AAO系統(tǒng)中活性污泥的主要構(gòu)成,這3種細(xì)菌門(mén)類(lèi)在污水處理工藝中COD降解和氮去除中發(fā)揮關(guān)鍵作用[16]。變形菌門(mén)是污水處理反應(yīng)器、沉淀物、活性污泥中最豐富的門(mén)之一,分別占樣品的33%、75%、37%。

圖7列舉了屬水平上相對(duì)豐度前30的細(xì)菌種類(lèi),其中前10相對(duì)豐度的菌群幾乎均與脫氮反應(yīng)相關(guān)。在添加磁場(chǎng)后,變形菌門(mén)中的固氮螺旋菌屬(Azospira)的相對(duì)豐度從1%上升至7%,明顯高于R1和R反應(yīng)器。文獻(xiàn)[17]表明固氮螺旋菌屬作為一種重要的反硝化菌屬,其可在缺氧和微嗜氧下進(jìn)行脫氮反應(yīng)。可以在厭氧條件下以硝態(tài)氮為電子受體進(jìn)行厭氧呼吸的嗜氫菌屬(Hydrogenophaga)與可以進(jìn)行反硝化的OLB8屬[18-19]相對(duì)豐度均提升至4%左右;聚糖假絲酵母菌屬(Candidatuscompetibacter)(相對(duì)豐度占比為4%)和陶厄氏菌屬(Thauera)(相對(duì)豐度占比為1%)在污水處理系統(tǒng)中是主要的短程反硝化菌屬[20]。上述具有反硝化能力的菌屬的相對(duì)豐度占比總和從R1的小于5%上升至R2的20%,表明磁場(chǎng)環(huán)境的存在有助于反硝化菌群的繁衍。磁場(chǎng)對(duì)反硝化菌屬的正向作用大幅提升了系統(tǒng)的反硝化能力,這也較好解釋了R2總氮去除率上升的原因。R2中變形菌門(mén)的絲硫菌屬(Thiothrix)的相對(duì)豐度由61%下降至3%,絲硫菌屬常在膨脹污泥中被大量檢出,在生物量相同的情況下絲狀菌提高了污泥的表觀黏度,導(dǎo)致污泥膨脹。磁環(huán)境下絲硫菌屬生存受到抑制,說(shuō)明磁場(chǎng)對(duì)絲硫菌屬的增殖與活性有重大影響,通過(guò)這種方式,磁場(chǎng)環(huán)境能改善部分由絲硫菌屬引起的污泥膨脹。在前10相對(duì)豐度屬種群中,擬桿菌門(mén)中的OLB12在磁環(huán)境中相對(duì)豐度有所上升,而變形菌門(mén)的Ellin6067相對(duì)豐度則出現(xiàn)下降,這兩種具有硝化能力的菌屬在總相對(duì)豐度上保持均衡,所以R1與R2反應(yīng)器表現(xiàn)出了相差無(wú)幾的氨氮去除率。

2.3 功能基因分析

為進(jìn)一步解析磁場(chǎng)對(duì)AAO工藝的影響機(jī)理,使用PICRUSt判斷磁環(huán)境下AAO系統(tǒng)中的細(xì)菌潛在功能,分析結(jié)果如圖8～圖9所示。新陳代謝(49.43%～49.74%)是菌群最重要的功能基因,其次是遺傳信息處理,占16.76%～17.17%,環(huán)境信息處理基因和細(xì)胞過(guò)程基因也占有較大地位,剩余基因類(lèi)別的相對(duì)豐度低于5%(圖8)。5 mT磁場(chǎng)環(huán)境下的AAO中微生物功能基因與接種污泥和對(duì)照AAO存在顯著差異(圖9)。

圖8 一級(jí)功能基因雷達(dá)圖

圖9 3組樣品微生物一級(jí)功能基因PCA

由圖10可知,膜運(yùn)輸是R與R1中相對(duì)豐度最高的基因類(lèi)別,膜運(yùn)輸作為一級(jí)功能基因中環(huán)境信息處理的主要途徑,能幫助微生物獲取更多有機(jī)物。R2中的膜運(yùn)輸類(lèi)基因豐度出現(xiàn)明顯下降,說(shuō)明磁場(chǎng)可通過(guò)抑制膜運(yùn)輸基因的表達(dá)來(lái)減少部分異養(yǎng)微生物(如Thiothrix等)對(duì)有機(jī)碳源的獲取量。由此,有機(jī)碳源競(jìng)爭(zhēng)力偏弱的反硝化菌群獲得了更多的攝取碳源的機(jī)會(huì),進(jìn)而提升反硝化菌群在AAO中的競(jìng)爭(zhēng)力,這也較好解釋了圖4中R2反應(yīng)器反硝化菌群總相對(duì)豐度上升的現(xiàn)象。磁環(huán)境下,細(xì)胞運(yùn)動(dòng)類(lèi)基因相對(duì)豐度較R1提升75%,說(shuō)明磁場(chǎng)有助于提升細(xì)胞的活性,促進(jìn)底物的捕獲與代謝,這也是R2反應(yīng)器能更快啟動(dòng)的重要原因。

圖10 二級(jí)功能基因相對(duì)豐度

3 結(jié)論

(1)磁場(chǎng)對(duì)AAO工藝的啟動(dòng)過(guò)程有較明顯影響,兩組反應(yīng)器接種運(yùn)行30 d內(nèi),磁環(huán)境下的AAO成功啟動(dòng)所需的天數(shù)較無(wú)磁場(chǎng)少5 d,平均總氮去除率比無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境的AAO反應(yīng)器高6%。

(2)磁場(chǎng)會(huì)影響到AAO反應(yīng)器的微生物群落結(jié)構(gòu),通過(guò)高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)環(huán)境下AAO反應(yīng)器具有反硝化能力的菌群相對(duì)豐度大幅上升,其相對(duì)豐度占比從R1的5%上升至R2的20%,從而有效提升了總氮去除效能;變形菌門(mén)中的絲硫菌屬相對(duì)豐度占比出現(xiàn)大幅下降,磁場(chǎng)表現(xiàn)出抑制絲狀菌過(guò)度繁殖的作用。

(3)基因預(yù)測(cè)分析表明,磁場(chǎng)通過(guò)刺激細(xì)胞運(yùn)動(dòng),使細(xì)胞更具活力,從而縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間;磁場(chǎng)抑制了膜運(yùn)輸類(lèi)基因的表達(dá),提高了反硝化過(guò)程對(duì)機(jī)碳源的競(jìng)爭(zhēng)力,提升了反硝化菌群的相對(duì)豐度。