廢水硫自養(yǎng)反硝化的電子供體與功能基因研究進展

包麗婧,陳東輝,朱艷彬,包茵舟,黃滿紅,2,*

(1.東華大學環(huán)境科學與工程學院,紡織行業(yè)污染治理與減排技術重點實驗室,上海 201620;2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092)

圖1 硫自養(yǎng)反硝化近20年發(fā)表論文數(shù)量(Web of Science)

目前,國內(nèi)外對于硫自養(yǎng)反硝化電子供體及功能基因的研究進展較少,本文綜述了自養(yǎng)反硝化中3種常見的電子供體,對相關的功能基因和功能酶進行了闡述,以期為未來高效綠色反硝化處理提供參考。

1 硫自養(yǎng)反硝化的電子供體

表1 不同硫源進行反硝化的反應式

1.1 S0

注:Sb為生物可利用性硫。

1.2 S2-

注:SADB為硫自養(yǎng)反硝化菌;HDB為異養(yǎng)反硝化菌;EB為產(chǎn)電菌;FAB為兼性自氧菌。

表2 不同電子供體用于反硝化的成本

2 硫自養(yǎng)反硝化微生物

2.1 硫自養(yǎng)反硝化主要菌屬

最常見的硫自養(yǎng)脫氮微生物主要是Thiobacillus(脫氮硫桿菌屬)和Sulfurimonas(硫單胞菌屬),表3列舉了幾種常見的反硝化優(yōu)勢菌屬以及它們能夠利用的電子供體。

表3 硫自養(yǎng)反硝化微生物和主要的電子供體

2.2 硫自養(yǎng)反硝化細菌環(huán)境影響因子

冬天較低的溫度會顯著降低脫氮的效果,從而限制硫自養(yǎng)反硝化的應用。Hao等[26]將S0自養(yǎng)生物膜接種到15 ℃的低溫條件下進行試驗,發(fā)現(xiàn)由于微生物在低溫下產(chǎn)生了緊密結(jié)合的胞外聚合物(EPS),其中蛋白質(zhì)含量的增加能夠保護微生物免受低溫影響,使得整個反應對低溫的適應能力更強,脫氮性能更優(yōu)。Vackov等[41]培養(yǎng)出了一種能夠在10 ℃以下進行反硝化的混合菌種,并且取得了較好的反硝化效率。越來越多的研究拓寬了硫自養(yǎng)反硝化的應用范圍,使得低溫高效脫氮成為可能。

3 反硝化代謝途徑功能基因

圖5 反硝化過程中硫和氮的轉(zhuǎn)化途徑過程

硫氧化過程為反硝化過程提供電子供體,隨著nap基因和硝酸還原酶(Nar)被識別,硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,接著由nir基因編碼的亞硝酸鹽還原酶(Nir)將亞硝酸鹽還原為NO,因此,這類微生物有減少亞硝酸鹽的能力。一氧化氮還原酶(Nor)和一氧化二氮還原酶(Nos)也是自養(yǎng)反硝化過程中重要的功能酶。表4列舉了與反硝化相關的重要功能基因和酶,除了反硝化功能基因外,硫氧化基因sqr、soxB和dsrA的豐度在硫自養(yǎng)反硝化過程中也會對反硝化去除率產(chǎn)生一定的影響[9,43-44],S2-通過生物電化學過程部分氧化為S0,隨后氧化為硫酸鹽,在這過程中sox基因的豐度明顯增加,從而促進反應快速進行。

表4 反硝化與硫氧化相關的功能基因

然而硫自養(yǎng)反硝化也存在著一些缺陷,研究[45]發(fā)現(xiàn),硫驅(qū)動的自養(yǎng)反硝化會使系統(tǒng)pH降低,當pH較低時,會嚴重抑制nirS和nirK型反硝化菌,含nosZ的反硝化菌的轉(zhuǎn)錄活性和生長也會受到影響,從而對反硝化造成不良影響,投加石灰石、牡蠣殼和碳酸氫鈉提供堿度,能夠平衡這種影響。此外,S2-具有生物毒性,會影響微生物的活性,S2-會使細胞質(zhì)中的細胞色素c(CytC)變性,阻礙細胞色素c傳遞電子,影響末端的氧化酶進行反硝化脫氮。因此,在用S2-為電子供體前需要對微生物進行馴化,不斷提高微生物對于S2-毒性的耐受。

為了更好地發(fā)展和深入對反硝化代謝功能基因的研究,以確定功能性微生物在脫氮脫硫系統(tǒng)中的作用和相互作用,通常使用梯度凝膠電泳、基因高通量測序、宏基因組學、聚合酶鏈反應(PCR)(表5)等現(xiàn)代分子生物學手段[46]。

表5 反硝化相關功能基因的PCR引物

反硝化功能基因是脫氮過程的關鍵參與者,有效管理這些功能基因以實現(xiàn)工藝的可靠和可持續(xù)運行,通過對特定功能基因的設計有助于提高反硝化系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。隨著對硫自養(yǎng)反硝化微生物功能基因研究的逐漸深入,將發(fā)現(xiàn)更多新的功能微生物群落和新的功能基因,有助于增強對反硝化相關過程的理解,并為系統(tǒng)設計提供有效、可靠和預測性的信息。

4 結(jié)論和展望

本文總結(jié)了自養(yǎng)反硝化過程中硫源電子供體的氧化過程及自養(yǎng)反硝化的主要菌種,并在此基礎上分析了反硝化代謝過程中功能基因和功能酶的作用形式,以期為硫自養(yǎng)反硝化的實際應用和改進提供參考。未來的研究與發(fā)展重點應包括以下內(nèi)容。

(1)硫自養(yǎng)反硝化中的微生物強化研究。繼續(xù)深入對自養(yǎng)反硝化微生物作用機理的研究,通過投加特定的菌劑、基因增強等生物強化法以使硫自養(yǎng)微生物更好地利用硫源進行高效反硝化。

(2)異養(yǎng)和自養(yǎng)反硝化混合營養(yǎng)形式。實際處理中投加少量碳源以增加堿度,通過有機碳刺激硫的轉(zhuǎn)化,多種電子供體協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)高效的脫氮,降低出水硫酸鹽濃度和出水硬度。

(3)硫自養(yǎng)反硝化與其他工藝耦合。隨著對水質(zhì)處理要求的提高和對低碳低能耗的要求,越來越多的研究聚焦于硫自養(yǎng)反硝化與其他工藝耦合,硫自養(yǎng)-人工濕地、硫自養(yǎng)-電化學、硫驅(qū)動脫硝-厭氧氨氧化耦合都具有良好的應用前景,采用這些耦合工藝,能夠充分利用中間產(chǎn)物,提高實際可行性。