磁場對短程硝化微生物群落結構和酶活性的影響

趙校宇 張鳳軍 孫紹鈞 孫紹芳 王嘉斌

文章編號：1671-3559（2024）03-0295-05DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230403.001

摘要： 為了探明磁感應強度對短程硝化系統的影響機制，構建磁性序批式活性污泥法反應器，對比磁感應強度對短程硝化過程氮轉化的影響規(guī)律，并通過高通量測序等分子生物學手段研究磁場對微生物群落結構和酶活性的影響。結果表明：磁場對短程硝化過程有顯著影響，在磁感應強度為10、 15 mT的磁場作用下，氨氮去除率低于無磁場對照組的；在磁感應強度為5、 10 mT的磁場作用下，所構建反應器的亞硝態(tài)氮累積率高于無磁場對照組的；磁場對所構建反應器中微生物群落結構和酶基因相對含量產生影響，當磁感應強度為5 mT時，OLB8菌群、 亞硝酸鹽氧化酶的相對豐度減小，氨單加氧酶和羥胺脫氫酶的相對豐度增大，亞硝態(tài)氮累積效果更優(yōu)。

關鍵詞： 磁場； 短程硝化； 微生物群落； 酶活性； 影響機制

中圖分類號： X703

文獻標志碼： A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Effects of Magnetic Field on Structure and Enzyme Activity of

Short-range Nitrification Microbial Community

ZHAO Xiaoyu1， ZHANG Fengjun2， SUN Shaojun3， SUN Shaofang1， WANG Jiabin1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Shandong Fangyun Software Technology Co.， Ltd.， Jinan 250100， Shandong， China;

3. Qingdao Municipal Engineering Design Research Institute Co.， Ltd.， Qingdao 266061， Shandong， China）

Abstract： To explore the influence mechanism of magnetic induction intensity on the short-range nitrification system， magnetic sequencing batch activated sludge method short-range nitrification reactors were constructed， effect laws of magnetic induction intensity on nitrogen conversion in short-range nitrification process were compared， and effects of magnetic field on structure and enzyme activity of microbial community was researched by using molecular biology technology such as high-throughput sequencing. The results show that the magnetic field has significant effects on the short-range nitrification process， under the action of magnetic field with the magnetic induction intensity of 10 mT and 15 mT， the removal rate of ammonia nitrogen is lower than that of the control group without magnetic field. Under the action of magnetic field with the magnetic induction intensity of 5 mT and 10 mT， the nitrous nitrogen accumulative rate of the constructed reactors is higher than that of the control group without magnetic field. The magnetic field affects the microbial community structure and the relative content of enzyme genes in the constructed reactors. When the magnetic induction intensity is 5 mT， the relative abundances of OLB8 flora and nitrite oxidase decrease， the relative abundances of ammonia monooxygenase and hydroxylamine dehydrogenase increase， and the nitrous nitrogen accumulation effect is better.

Keywords： magnetic field; short-range nitrification; microbial community; enzyme activity; influence mechanism

收稿日期： 2023-02-15????????? 網絡首發(fā)時間：2023-04-03T16：42：12

基金項目： 國家自然科學基金項目（52100088）；濟南大學科技項目（XBS2001）

第一作者簡介： 趙校宇（1998—），女，山東臨沂人。碩士研究生，研究方向為市政工程。E-mail： 1275238799@qq.com。

通信作者簡介： 王嘉斌（1979—），男，山東濟南人。教授，博士，碩士生導師，研究方向為市政工程。E-mail： cea_wangjb@ujn.edu.cn。

網絡首發(fā)地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230403.1539.002.html

根據《2020年中國生態(tài)環(huán)境統計年報》，全國含氮廢水年排放量為9.84×105 t，氮污染成為日益嚴重的環(huán)境問題［1］。傳統的硝化-反硝化生物脫氮工藝需要補充碳源且能耗過高［2］，厭氧氨氧化和同步硝化反硝化（SND）等新型工藝具有曝氣能耗低、碳源需求量小等優(yōu)點［3-4］，其中短程硝化作為亞硝態(tài)氮（NO-2-N）累積的重要過程［5］，是影響新型生物脫氮工藝應用的關鍵環(huán)節(jié)。

李強［6］對序批式活性污泥法（SBR）反應器內短程硝化反硝化脫氮過程進行研究發(fā)現，溶解氧（DO）、 氧化還原電位（ORP）、 pH等影響因子對短程硝化過程的影響較為明顯。 羅珊等［7］研究了循環(huán)式活性污泥法（CAST工藝）短程硝化反硝化的快速啟動過程， 結果表明， 溫度、 DO、 pH及菌劑接種對NO-2-N累積率影響較大。 呼曉明等［8］采用流化床工藝， 通過控制溫度為（31±1）℃、 DO的質量濃度為1.5～2.5 mg/L、 pH為8.0～8.5， 將短程硝化的啟動時間縮短到42 d。 徐浩等［9］采用SBR工藝， 在溫度為（30±1）℃、 pH為7.8～8.2、 DO的質量濃度為2.5 mg/L的條件下， 運行35 d成功啟動短程硝化。 李柏林等［10］采用SBR工藝， 在更低的DO質量濃度（1.42～1.53 mg/L）環(huán)境下， 將短程硝化的啟動時間縮短到30 d。

磁場能影響微生物的群落結構和酶活性， 有效提升污泥處理效能［11］。 Ren等［12］研究發(fā)現， 磁感應強度為15～25 mT的磁場可以提升細胞膜的通透性， 增強微生物的活性。 Ni等［13］研究發(fā)現， 磁性納米顆粒的投加量為50 mg/L時對增強硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性效果較好。王強［14］用施加磁場的方式將SBR反應器硝態(tài)氮（NO-3-N））去除率與微生物脫氫酶活性分別提高7.2%和238%。 孫紹鈞等［15］研究發(fā)現， 磁性濾料可以優(yōu)化脫氮功能菌的群落結構與功能基因， 提升生物濾池的脫氮效能。 耿淑英等［16］研究發(fā)現， 磁感應強度為30～150 mT的磁場可以影響微生物的群落結構與酶活性，從而提高污染物去除率。

本文中通過構建外加磁場SBR反應器，研究磁場對短程硝化的影響，采用分子生物學技術分析磁場對短程硝化菌群結構和酶基因的影響規(guī)律，解析其分子生物學機制。

濟南大學學報（自然科學版）第38卷

第3期趙校宇，等：磁場對短程硝化微生物群落結構和酶活性的影響

1? 材料與方法

1.1? 實驗裝置

實驗采用有效容積為2 L的SBR反應器，如圖1所示。該反應器采用有機玻璃制作，內設溫控裝置，外設串聯通電線圈提供磁場。4組SBR反應器編號為R0、 R1、R2和R3，對應的磁感應強度分別為0、 5、 10、 15 mT。

1.2? 實驗用水

反應器進水由實驗室配制，氯化銨用于提供氨氮（NH+4-N），碳酸氫鈉、 碳酸鈉用于提供堿度與無機碳源，磷酸二氫鉀用于提供無機磷源。氯化銨、 磷酸二氫鉀的質量濃度分別為200、 20 mg/L，碳酸氫鈉、 碳酸鈉的濃度分別為20、 5 mmol/L。實驗進水NH+4-N的質量濃度控制在195 mg/L左右，pH控制在7.8左右。

1.3? 反應器的運行條件

反應器接種前期絮狀黃褐色短程硝化實驗污泥， 污泥質量濃度為3 000 mg/L， 35 ℃恒溫運行， 運行周期為8 h， 每個流程進水5 min， 好氧缺氧交替運行（曝氣30 min、 攪拌30 min）7次， 靜置45 min， 出水10 min。 水力停留時間為16 h， 曝氣量為0.2 L/min， 污泥停留時間（SRT）為15 d。

1.4? 污泥取樣和微生物測序方法

取反應器內運行15 d的污泥， 利用Illumina NovaSeq測序平臺， 使用引物341F（5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTATCTAAT-3′）對核糖體核糖核酸（16S rDNA）內V3—V4區(qū)域進行聚合酶鏈式反應（PCR）擴增。 基于QIIME2平臺，利用區(qū)別擴增子降噪算法DADA2對16S rRNA功能基因等特定區(qū)段的高通量測序序列進行錯誤校正， 獲得每個樣本的區(qū)別擴增子序列變異（ASVs）代表序列及豐度， 基于序列降噪結果進行微生物多樣性分析。 選用PICRUSt2軟件對樣本中的微生物群落進行功能預測分析， 基于京都基因與基因組百科全書（KEGG）數據庫進行基因注釋。

2? 結果與分析

2.1? 反應器運行效果

4組反應器在不同磁感應強度時運行，進水NH+4-N濃度與去除率隨時間的變化如圖2所示。從圖中可以看出： 磁感應強度對硝化過程有較明顯的影響。反應器R0、 R1中NH+4-N去除率較高且比較穩(wěn)定； 反應器R2中NH+4-N去除率在下降至70%后又恢復至98%，后期保持平穩(wěn)； 反應器R3內NH+4-N去除率下降至62%，后期緩慢恢復至80%左右。上述結果說明： 磁感應強度較小（0、 5 mT）時磁場不會對反應器的硝化過程產生明顯抑制作用； 磁感應強度增加到10 mT時，磁場會對反應器的硝化過程產生沖擊， 但微生物能夠快速適應； 磁感應強度增大到15 mT時，磁場對硝化過程的抑制作用較為明顯， 且表現出持續(xù)抑制現象。 據此可以推測， 氨氧化細菌（AOB）能較好地適應磁感應強度為0～10 mT的磁場環(huán)境， 繼續(xù)增大磁感應強度，其活

反應器氨氮（NH+4-N）去除率的影響

性會受到一定的抑制。

為了進一步探究磁場對硝化過程中AOB、 亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）菌群的影響規(guī)律，對反應器進出水NH+4-N濃度差與出水NO-2-N、 NO-3-N濃度數據進行分析，如圖3所示，反應器NO-2-N累積率（NAR）變化如圖4所示。

對比圖3、 4中整個實驗周期內各反應器出水NO-2-N、 NO-3-N濃度和NAR變化可知： 當磁感應強度為5、 10 mT時， NOB菌群代謝過程受到抑制，有利于NO-2-N的累積；磁感應強度為15 mT的磁場有利于NOB菌群的代謝過程，不利于NO-2-N的累積。如圖3所示，與反應器R0相比，反應器R3內NO-3-N濃度偏高，NO-2-N濃度偏低，NO-2-N的質量濃度從108 mg/L降至50 mg/L，NO-2-N累積效果較差。由圖4可知，反應器R1、 R2的NAR分別比反應器R0的大12％和5％，反應器R3的NAR穩(wěn)定在42％左右，比空白組的低約25％，表明磁感應強度為5 mT的磁場環(huán)境最有利于短程硝化過程，繼續(xù)增大磁感應強度不利于短程硝化過程。

磁感應強度為5 mT的磁場對反硝化過程具有抑制作用，而磁感應強度為15 mT的磁場則有利于反硝化過程的進行。如圖3所示，反應7 d后反應器R0、 R2、 R3的進出水NH+4-N濃度差均大于或等于出水NO-2-N、 NO-3-N濃度之和，反應器R1的進出水NH+4-N濃度差則小于或等于出水NO-2-N、 NO-3-N濃度之和，據此可推測在DO濃度較低、 添加無機碳源的進水條件下，反應器R0、 R2和R3內不僅存在短程硝化，也存在SND。反應器R2的反硝化程度與反應器R0的一致，反應器R1的反硝化現象最不明顯，原因可能是磁感應強度較小（5 mT）的磁場對NOB菌群代謝過程有抑制作用，出水NO-3-N濃度偏低，從而影響到了反硝化過程。反應器R3的反硝化現象最明顯，由圖2可知，該反應器的氨氮去除率最弱，原因是磁感應強度較大的磁場作用導致反應器內菌群活性偏弱，對DO、 底物、 碳源的消耗較慢，從而為相對豐度較小的NOB、 反硝化菌群創(chuàng)造了相對適宜的反應條件。

2.2? 微生物群落結構的變化

各反應器內主要微生物群落屬水平上的相對豐度如圖5所示。 由圖可知： 與反應器R0相比較， 在屬水平上， 磁場作用下的微生物菌群結構組成表現出較豐富的多樣性， 不同菌屬的相對豐度有顯著變化。 磁場作用不利于假單胞屬菌群、 亞硝化單胞菌群的生長， 且磁場越強影響越明顯。 假單胞菌屬是生物脫氨過程執(zhí)行氨氧化和反硝化功能類菌群， 屬于AOB和反硝化菌， 其在SND系統也發(fā)揮重要作用， 亞硝化單胞菌屬于AOB， 是生物脫氨過程執(zhí)行氨氧化功能類菌群［16］。 隨著磁感應強度的增大， 假單胞屬和亞硝化單胞菌群的相對豐度均逐漸減小。

磁感應強度為5 mT的磁場環(huán)境不利于反硝化功能類菌群OLB8［17］的生長， 磁感應強度增大至15 mT則有助于OLB8菌群的生長。 各反應器中OLB8菌群的相對豐度按所在反應器R1、 R0、 R2、 R3的順序依次增大， 較好地解釋了圖3中磁感應強度為5 mT磁場環(huán)境不利于反硝化進程， 而磁感應強度為15 mT磁場環(huán)境有助于反硝化反應發(fā)生的現象。

磁感應強度為15 mT磁場作用可以促進硝化螺旋菌群生長。硝化螺旋菌屬屬于NOB，是生物脫氨過程執(zhí)行硝化功能類菌群［18］，其在反應器R3的相對豐度為11.13%，而在反應器R0、 R1、 R2中幾乎不存在，與圖3中反應器R3出水NO-3-N濃度偏高的結果一致。

2.3? 氮代謝途徑基因分析

不同反應器中微生物群落中14種氮代謝途徑基因豐度如圖6所示。由圖可知： 相較于反應器R0，氨單加氧酶和羥胺脫氫酶對應的基因amo、 hao在反應器R1中相對豐度較大，在反應器R2、 R3中的相對豐度較小，原因是氨單加氧酶和羥胺脫氫酶可分別氧化非離子氨和羧氨，均對氨氧化過程有重要作用［19］；亞硝酸鹽氧化還原酶和硝酸鹽還原酶narGZ、 nxrA和narHY、 nxrB在反應器R1、 R2中相對豐度較小，而在反應器R3中的相對豐度較大，原因是亞硝酸鹽氧化還原酶和呼吸型硝酸鹽還原酶是微生物中催化亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽及其逆過程的

關鍵酶［20］。這一結果與磁感應強度為5、 10 mT時亞硝酸鹽累積效果好且NAR高，而磁感應強度為15 mT時NAR偏低的結果一致。

3? 結論

1）磁感應強度適當的磁場作用可以有效促進短程硝化過程。 磁感應強度為5 mT的磁場環(huán)境促進短程硝化過程效果最佳； 磁感應強度為10 mT的磁場會對硝化過程產生一定程度的抑制； 磁感應強度為15 mT的磁場對硝化過程表現出持續(xù)抑制現象， 有利于反硝化過程的進行， 不利于短程硝化過程。

2）磁場對短程硝化過程的影響主要通過對優(yōu)勢菌群演替的誘導優(yōu)化實現。 磁場增強時假單胞菌群和亞硝化單胞菌群的相對豐度減小。 磁感應強度為5 mT時OLB8菌群的相對豐度減小， 磁感應強度為15 mT時OLB8菌群、 硝化螺旋菌相對豐度增大。

3）磁場對群落結構演替的誘導與優(yōu)化會引起氮代謝途徑基因豐度的變化。磁感應強度為5 mT時氨單加氧酶和羥胺脫氫酶的基因豐度增大，亞硝酸鹽氧化酶的基因豐度減小；磁感應強度為10 mT時， 氨單加氧酶amo、 羥胺脫氫酶和亞硝酸鹽氧化酶的基因豐度均減?。?磁感應強度為15 mT時， 氨單加氧酶amo和羥胺脫氫酶的基因豐度減小， 亞硝酸鹽氧化酶的基因豐度增大， 表明磁感應強度為5、 10 mT的磁場環(huán)境利于短程硝化過程，而磁感應強度為15 mT的磁場環(huán)境不利于短程硝化過程。

參考文獻：

［1］? 生態(tài)環(huán)境部. 2020年中國生態(tài)環(huán)境統計年報［EB/OL］. （2021-08-27）［2022-09-01］. https：//www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/sthjtjnb/202202/W020220218339925977248.pdf.

［2］? 巫方才. 短程硝化-反硝化技術處理城市生活污水時運行特性研究［J］. 化學工程師， 2022，36（8）： 50.

［3］? 胡騰文. 短程硝化-厭氧氨氧化處理VB12生產廢水脫氮性能與菌群結構解析［D］. 鄭州： 鄭州大學， 2021.

［4］? 杜平， 徐百龍， 胡佳瑤. 表觀厭氧環(huán)境下短程硝化同步反硝化的實現與特征分析［J］. 凈水技術， 2022， 41（增刊2）： 61.

［5］? 毛霖， 荊黎. 短程硝化-反硝化技術在城市生活污水處理中的應用研究［J］. 化學工程師， 2022， 36（10）： 41.

［6］? 李強. SBR法短程硝化反硝化脫氮除磷的實時控制［D］. 哈爾濱： 東北林業(yè)大學， 2008.

［7］? 羅珊， 李新， 鐘銘， 等. 低碳氮比生活污水短程硝化反硝化的快速啟動研究［J］. 環(huán)境科學與技術， 2020， 43（7）： 28.

［8］? 呼曉明， 陳英文， 嚴偉峰， 等. 生物流化床短程硝化的快速啟動及影響因素研究［J］. 環(huán)境科學與技術， 2012， 35（7）： 16.

［9］? 徐浩， 李捷， 羅凡， 等. 城市污水短程硝化的快速啟動試驗研究［J］. 中國給水排水， 2018， 34（23）： 96.

［10］? 李柏林， 楊丹丹， 黃馨， 等. 基于DO和游離氨聯合控制的短程硝化快速啟動及穩(wěn)定運行研究［J］.環(huán)境污染與防治， 2018， 40（11）： 1219.

［11］? 李衛(wèi)平， 張明天， 張列宇， 等. 生物磁效應在環(huán)境污染治理與修復中的應用［J］. 環(huán)境工程技術學報， 2022， 12（5）： 1420.

［12］? REN Z J， LENG X D， ZHANG Z X， et al. Effect of low-strength magnetic fields on the oil removal performance of oil-degrading microorganisms［J］. Desalination and Water Treatment， 2018， 120： 133.

［13］? NI S Q， NI J Y， HU D L， et al. Effect of organic matter on the performance of granular anammox process［J］. Bioresource Technology， 2012， 110： 701.

［14］? 王強. 磁強化好氧反硝化菌的生物脫氮機制與效能［D］. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2010.

［15］? 孫紹鈞， 沈軍， 王曉宇， 等. 磁性濾料對生物脫氮濾池微生物群落的影響［J］. 濟南大學學報（自然科學版）， 2023， 37（2）： 172.

［16］? 耿淑英， 付偉章， 王靜， 等. SBR系統外加磁場對微生物群落多樣性和處理效果的影響［J］. 環(huán)境科學， 2017， 38（11）： 4715.

［17］? 余浩濤， 于莉芳， 李韌， 等. 部分反硝化耦合厭氧氨氧化IFAS系統脫氮性能［J］. 中國環(huán)境科學， 2022， 42（9）： 4107.

［18］? 尤新新， 王晟， 都林娜. 一種內源性復合微生物菌劑的特性及其固定化對豬場糞污水的處理效果［J］. 浙江大學學報（農業(yè)與生命科學版）， 2021， 47（1）： 98.

［19］? 李亞男， 閆冰， 鄭蕊， 等. 一體式部分亞硝化-厭氧氨氧化工藝污泥膨脹發(fā)生和恢復過程中微生物群落演替及PICRUSt2功能預測分析［J］. 環(huán)境科學， 2022， 43（7）： 3708.

［20］? 楊昕怡， 常煥煥， 于雪， 等. 游離亞硝酸對亞硝酸鹽氧化菌活性的抑制作用機制［J］. 化學與生物工程， 2022， 39（1）： 25.

（責任編輯：劉? 飚）