2021, Vol. 41
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2. 河海大学环境学院, 南京 210098
2. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098
活性污泥法作为一种高效的污水处理方法, 广泛应用于市政和工业污水处理中(Yang et al., 2019).近年来随着污水处理量增加, 污水处理同时产生的污泥量也急剧增加.由于污泥的后续处理处置费用高昂, 使得污水处理系统中剩余污泥问题成为目前亟待解决的问题(Wang et al., 2018).代谢解偶联剂由于可以抑制ATP合成, 进而阻碍生物质的积累, 可以从源头上减少污泥的产生；且投加解偶联剂方便、高效、易于操作、不需要对传统废水处理工艺进行必要的修改或安装昂贵的设备, 有巨大的发展潜力, 故在污泥减量领域受到了广泛关注(Chen et al., 2002；Li et al., 2016；Feng et al., 2020；Ferrer-Polonio et al., 2020).
目前对于解偶联剂的研究, 大多集中在不同解偶联剂对活性污泥系统内污泥产量、底物去除效率、微生物代谢产物影响等方面(Zuriaga-Agusti et al., 2016；Ferrer-Polonio et al., 2017；Ding et al., 2019).短期实验发现解偶联剂的投加可以有效实现系统的污泥减量, 但是解偶联剂作为外源性物质, 其长时间投加可能会影响系统中微生物菌群的存在与演替, 从而影响系统的出水水质和污泥性能(Chen et al., 2002；Yang et al., 2019；Wu et al., 2020).研究表明解偶联剂会对污泥特性和微生物群落等造成一定影响, 但是解偶联剂长时间作用下活性污泥系统中微生物群落结构及多样性的变化尚不明晰(Ferrer-Polonio et al., 2017；Ferrer-Polonio et al., 2019；Feng et al., 2020).
因此, 本研究采用高通量测序技术, 分析邻氯苯酚长时间作用下好氧SBR处理系统中活性污泥微生物群落结构的演替情况与多样性变化.研究结果将有助于评估长期投加解偶联剂对污水生物处理系统的生态影响, 以期为阐明活性污泥微生物对解偶联剂长期作用下的响应机制提供更多的生物学支撑.
2 材料与方法(Material and methods) 2.1 接种污泥与试验用水本实验接种污泥取自江苏省无锡市某污水处理厂二级沉淀池.接种前将原始污泥用蒸馏水清洗3次, 并用2 mm的筛子过筛以去除较大颗粒物, 空曝24 h以消除原有基质对后续实验的影响.
进水采用人工合成废水, 具体水质成分及微量元素组分如表 1所示.前期实验结果表明(Fang et al., 2020), 邻氯苯酚(ClC6H4OH, AR, 中国医药(集团)上海化学试剂公司)为10 mg·L-1时污泥减量效果显著, 且对出水水质影响效果较小, 其对系统COD的贡献可忽略不计, 因此本研究中邻氯苯酚的浓度选择为10 mg·L-1.
| 表 1 人工合成水质成分及微量元素成分 Table 1 Components of artificial water and trace elements |
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经上述处理后的污泥接入2个有效容积为3 L的序批式反应器(SBR)中(分别记为RA和RB), RA、RB反应器均以好氧方式运行, 运行周期为360 min, 其中包括进水5 min, 曝气320 min, 沉淀20 min, 排水7 min, 闲置8 min.反应器的排水比均为50%, 水力停留时间为12 h, 反应器内污泥停留时间为15 d, 每隔2 d进行人工排泥, 控制进水pH和曝气时DO分别为(7.0±0.1)和(6.0±0.2) mg·L-1.反应器中初始污泥浓度(MLSS)在3000 mg·L-1左右, 其挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)大约为2000 mg·L-1.
经过一个月的驯化, 反应器出水水质稳定, 污泥性质良好.随后进行为期63 d的实验, 期间每隔一天向RB反应器中投加10 mg·L-1的邻氯苯酚, RA反应器设为对照组, 每隔7 d进行相关水质项目的分析, 并在系统运行期间的第0、14、28、42和63 d好氧阶段末, 取活性污泥混合液进行微生物群落结构分析, 以期探索邻氯苯酚长时间作用下好氧活性污泥系统中水质变化情况和微生物群落结构的演替规律.
2.3 水质分析指标与方法化学需氧量(COD)、MLSS、MLVSS、氨氮(NH4+-N)、亚硝氮(NO2--N)、硝氮(NO3--N)等指标根据标准方法进行检测, 污泥容积指数(SVI)使用Kreuk等的方法进行(APHA, 2005；Kreuk et al., 2005).每消耗一份COD所产生的剩余污泥量为污泥表观产率系数(Yobs), 通过Yobs与空白样品的比值来评估污泥的减量情况(Fang et al., 2020).
2.4 微生物测序及分析方法本实验中的污泥样品统一送至上海凌恩生物公司进行DNA提取、PCR扩增以及Illumina PE250文库构建, 并经由Illumina PE250测序获得相关微生物信息.DNA提取的具体操作如下：采用CTAB/SDS法提取样本总基因组DNA, 随后用1%琼脂糖凝胶检测DNA浓度和纯度.根据检测出的浓度, 使用蒸馏水将DNA稀释成1 ng·mL-1.在本次实验中利用针对V4~V5区域的特异性引物515F-907R进行16S rRNA扩增(Caporaso et al., 2010).
在进行数据处理时, 序列分析借助UPARSE软件包, 使用UPARSE-OTU和UPARSE-OTUref算法.内部Perl脚本用于分析Alpha(样本内)多样性.利用Chao1估计在每个样本中独特的OTU数、Simpson和Shannon指数计算Alpha多样性.计算各样品中的OTUs的相对丰度并在门和属水平上进行汇总.使用Excel进行数据汇总后, 采用Origin软件绘图分析.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 邻氯苯酚长时间作用对系统污泥产率和沉降性的影响邻氯苯酚长时间作用对系统污泥产率的影响如图 1a所示.RA反应器中平均Yobs为(0.46±0.02) mg·mg-1, 反应器运行较为稳定.而在第0~42 d期间, RB反应器中Yobs呈明显的线性下降趋势, 由初始的0.59 mg·mg-1降至0.22 mg·mg-1, 并在42 d后逐渐趋于平缓；同时污泥的减量效果在42 d达到了最高, 为41.3%.这说明在反应初始阶段, 微生物对于外加邻氯苯酚较为敏感, 污泥生长速率下降, 减量效果明显；而随着活性污泥微生物对邻氯苯酚存在环境的不断适应, 污泥生长趋于平稳, 减量效果略有下降, 这些现象与Yang等(2019)、Tian等(2013)的研究结果一致.
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| 图 1 邻氯苯酚作用63 d活性污泥系统中污泥产率及污泥减量(a)及SVI的变化(b) Fig. 1 The changes of the Yobs and sludge reduction (a), SVI in systems under 63 d o-chlorophenol dosages in activated sludge(b) |
图 1b为邻氯苯酚长期作用下系统中污泥SVI的变化.RA反应器中污泥SVI值在第28 d迅速上升至74 mL·g-1, 而后趋于稳定, 这可能是实验第28 d时气温迅速上升(室温为38 ℃), 导致反应器内丝状菌膨胀(武联菊, 2010).随着邻氯苯酚的不断投加, RB反应器中污泥SVI呈逐渐上升趋势, 由初始的59 mL·g-1升至98 mL·g-1, 污泥沉降性能略有下降.
3.2 邻氯苯酚长时间作用对系统污染物去除的影响邻氯苯酚长时间作用下两个反应器中污染物的去除情况如图 2所示.由图 2a可知, 投加邻氯苯酚后RB反应器中COD的去除率在第14 d降至最低值75.6%, 之后缓慢上升；其COD平均去除率为84.3%, 比对照组降低了10.4%.可见, 邻氯苯酚的长时间投加在一定程度上降低了COD的去除效率.
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| 图 2 邻氯苯酚作用63 d对系统COD去除率(a), NH4+-N去除率(b), NO2--N浓度(c)及NO3--N浓度(d)的影响 Fig. 2 The influence of COD removal efficiency(a), NH4+-N removal efficiency(b), NO2--N concentration(c) and NO3--N concentration(d) under 63-day o-chlorophenol dosages |
邻氯苯酚投加后, RB反应器中NH4+-N的去除率不断下降(图 2b).在第28 d降至82.3%, 较初始下降了15.6%, 降幅较为明显；但随后去除率缓慢恢复, 在第63 d时回升至93.2%.可见, 在反应初期, 邻氯苯酚的投加对氨氧化细菌(AOB)产生了一定的抑制作用, 限制了其活性和相关酶反应, 而后期相关细菌可以在一定程度上适应投加的邻氯苯酚, 使得NH4+-N去除率得以回升(Yang et al., 2019；Fang et al., 2020).
邻氯苯酚长时间作用下两个反应器中出水NO2--N和NO3--N浓度变化如图 2c和2d所示. 邻氯苯酚长时间投加使得出水中NO2--N浓度增高, 最高达到20.94 mg·L-1, 而NO3--N浓度却明显下降, 说明系统内亚硝酸盐氧化菌(NOB)及相关过程的酶对邻氯苯酚敏感度较高, 造成NO2--N的积累(Tian et al., 2013).在实验后期NO2--N浓度略有下降, 这可能是NOB逐渐适应了投加的邻氯苯酚, 使得微生物丰度增加, 系统内的硝化过程在一定程度上得到恢复.
3.3 邻氯苯酚长时间作用对系统中微生物丰度及多样性影响反应器长时间运行过程中邻氯苯酚投加对活性污泥系统中微生物丰富度及多样性的影响如表 2所示.在97%的相似水平上, 反应器内α多样性分析能综合反映系统中微生物的丰富度和均匀度.样品中所测序列的覆盖率均大于0.980, 说明本次实验所获得的序列能有效地对系统中的生物多样性进行表达(Fang et al., 2020).
| 表 2 反应器中微生物丰度与多样性 Table 2 Microbial abundance and diversity in two reactors |
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第0 d, RA和RB系统中OTU分别为1981和1796, 而在第63 d, 二者的OTU数降至1350和895.独特的OTU数分别为187(A0)、146(B0)和49(A63)、39(B63), 仅有190个OTU同时存在于10个样品中(图 3a), 这说明RA和RB微生物多样性均出现下降, 且邻氯苯酚的投加使得微生物多样性下降程度更大.RA中OTU数的下降可能是由于进水营养物质单一和温度变化引起的(Hayes et al., 2011；Li et al., 2015)；而RB中, 由于投加的邻氯苯酚对系统中的微生物产生了一定的抑制作用, 微生物种类下降速度比RA更显著.系统中微生物的丰富度指数(Chao)均呈下降趋势, 但是投加邻氯苯酚的系统下降更快, 说明解偶联剂邻氯苯酚的投加会降低反应器内微生物的丰富度(Wang et al., 2018；Fang et al., 2020；Chao et al., 2004).结合Shannon和Simpson指数, 均表明RB系统中微生物的多样性和均一性呈下降趋势.
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| 图 3 Venn图(a)和通过PCA分析不同样品微生物群落间的β多样性(b) Fig. 3 Image of Venn(a) and β-diversity of the microbial community between different samples by PCA(b) |
根据样品微生物进化信息进行的主成分分析, 可以识别多个数据之间的相关性和差异性, 这些数据集的维数根据两个轴降维成第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2), 其中第一个主成分(PC1)保留了数据中最大的方差方向, 而第二个主成分(PC2)正交于PC1, 代表了数据中第二个最大的变异源(Deepnarain et al., 2020).由图 3b可以看出, 相较于RA, RB中第0 d与第63 d之间存在距离的更远.尽管两个反应器内接种的污泥相同, 但RB系统中的微生物组成相似性变化更明显(Zhang et al., 2020).
3.4 邻氯苯酚长时间作用对活性污泥微生物菌群结构的影响在活性污泥系统中, 邻氯苯酚长时间作用下相对丰度≥1%的菌门主要包括Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Verrucomicrobia(疣微菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Gemmatimonadetes(芽单胞菌门)、Nitrospirae(硝化螺旋菌门)等, 它们在RA和RB中的相对丰度总和占到总菌门数的90%以上, 其中Proteobacteria在二者中的平均相对丰度均大于50%.
图 4为邻氯苯酚长时间作用下RA、RB反应器中属水平上微生物群落结构及分布.在10个样品中Meganema、Micavibrionales_norank、Rhodanobacteraceae_uncultured、Saprospiraceae_uncultured、Thauera和Zoogloea等为主导菌属.
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| 图 4 邻氯苯酚作用63 d系统中活性污泥属水平细菌群落结构及分布 Fig. 4 Structure and distribution of bacterial communities at genus level under 63-day o-chlorophenol dosages |
RB反应器中Meganema相对丰度在第0~63 d的变化范围为0.007%~33.8%, 呈上升趋势.Meganema是一种丝状的革兰氏阴性菌, 其大量繁殖会导致活性污泥膨胀(Kragelund et al., 2005；Hill et al., 2007), 可见邻氯苯酚投加促进了丝状菌的增殖, 这与污泥沉降性下降的现象相吻合.同时, 该菌属也是一种具有较高底物摄取能力的异养微生物, 能利用各种电子受体(氧、亚硝酸盐和硝酸盐)(Coats et al., 2016；Iorhemen et al., 2019), 因此, RB反应器运行后期具有较高的有机物去除率, 可能与Meganema丰度的增加有密切的联系.Meganema在RA中的变化则与SVI值的变化呈正相关.Zoogloea及其相关的絮凝菌在活性污泥絮体形成中起着中心作用(An et al., 2016).RB反应器中该菌属在0~63 d中的相对丰度分别为6.21%、1.53%、0.82%、8.90%和0.11%, 虽然其相对丰度在第42 d回升, 但总体上相对丰度还是下降了98.2%, 其在系统微生物的占比中下降显著, 从而使活性污泥沉降性能出现下降.Micavibrionales_norank在RB中的相对丰度均大于RA中的相对丰度, 据报道该菌属与聚羟基脂肪酸酯(PHA)积累相关, 这与本课题组前期发现邻氯苯酚投加会提高活性污泥胞内PHA积累量的结果一致(Fang et al., 2020).因此, 邻氯苯酚的投加改变了系统内原有微生物的群落与结构.
邻氯苯酚长时间作用下两个反应器中脱氮功能菌的丰度变化如图 5所示.Nitrosomonas(亚硝化单胞菌)为本实验中的优势AOB菌属, 属于Nitrospirae, 其在RA中相对丰度为0.07%~0.6%.由于该菌属为自养菌, 相对丰度较低, 同时温度变化对该菌属影响较大, 温度升高, 其衰减速率增大, 因此其相对丰度下降(尚越飞等, 2020；魏源送等, 2020).而在RB反应器中, 邻氯苯酚的投加抑制了Nitrosomonas的活性和增殖, 使得其相对丰度在第14 d较初始下降了88.3%, 因此氨氮去除率下降明显；但在实验后期过程中, 该菌属在一定程度上适应了投加邻氯苯酚的环境, 相对丰度逐渐升高, 这可能是后期反应器中氨氧化得缓慢恢复的原因之一.Nitrospira(硝化螺菌属)为RA、RB反应器中最初的优势NOB菌属, 属于Proteobacteria, 在反应初始阶段其相对丰度分别为1.43%和1.34%.在后续实验中, RA中该菌属由于温度变化等因素使得相对丰度下降, 温度恢复后该菌属逐渐恢复；而在RB中, 投加邻氯苯酚后第28 d, 其丰度下降至检测限以下, 可见, 邻氯苯酚投加对NOB影响较大, 较为严重地抑制了该类菌属的生长与繁殖, 虽然在后期该菌属丰度恢复至0.45%, 但系统内亚硝酸盐的大量积累表明受影响的亚硝酸盐氧化过程无法得到完全恢复.
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| 图 5 邻氯苯酚作用63 d系统中属水平上系统功能菌丰度变化 Fig. 5 The relative abundance change of functional bacteria at genus level under 63-day o-chlorophenol dosages |
此外, 在两个反应器内除了检测到硝化细菌, 还检测到其他功能菌(图 5).在RB中, Flavobacterium的相对丰度下降了95.5%(第14 d).有研究称Flavobacterium可以降解乙酸类物质, 而反应器内采用无水乙酸钠作为主要碳源, 该菌属相对丰度下降, 可能是RB前期COD去除率下降明显的原因之一(Iorhemen et al., 2019；He et al., 2020).Thauera在RB中的平均相对丰度为4.20%, 高于RA中的平均丰度(1.87%).Thauera是胞外聚合物(EPS)的生产者之一, 在生物聚合中起“生物胶”的作用, 同时它也与PHA的富集相关.实验结果表明, 邻氯苯酚的投加会提高该菌属的活性, 同时促进其在系统中的增殖(Tortosa et al., 2017；Fang et al., 2020；Liu et al., 2020；Li et al., 2020).Dokdonella在RB中最初相对丰度为0.68%, 最高升至1.33%, 明显高于RA.有研究人员从含有芳香化合物的间歇反应器中检测出该种菌属, 也有研究将其用在降解苯乙烯的实验中, 这说明该菌属可能具有降解难降解有机物的能力, 而在本研究中可能参与了芳香族化合物邻氯苯酚的代谢过程(Liu et al., 2013；Portune et al., 2020).Paracoccus在RB中同样增幅明显, 第0 d其相对丰度仅为0.17%, 第63 d则增长至6.2%, 是第0 d的36倍, 有研究称Paracoccus对肽酸酯(PAE)具有良好的降解能力, 故该菌属也可能参与到了邻氯苯酚的降解过程中(Xu et al., 2020).
图 6展示了邻氯苯酚长时间作用下水质指标与功能菌间的相关性关系, 其中环境因子即水质指标用空白箭头表示, 微生物种群用实心箭头表示, 样本点则用星形表示.箭头之间的角度反映了相关性的程度, 而箭头的长度表明了环境因素在解释细菌和群落结构变化中的相对重要性(Zeng et al., 2019).由图 6可知, RA的样品点相对集中, 第42 d和63 d与前期样品点距离较远, 而RB的样品点分布在二维平面上的不同位置, 显示了它们之间群落上的差异性, 这也与前文分析一致(Yan et al., 2020).邻氯苯酚在RB中的投加浓度为10 mg·L-1, 经测定其对系统的COD贡献量小, 故邻氯苯酚对RA和RB的进水COD影响可以忽略不计.COD去除率、氨氮去除率以及反应器内NO3--N浓度与Nitrosomonas、Nitrospira和Flavobacterium之间的角度为锐角(< 90°), 呈显著正相关, 说明这些微生物的存在可以促进污染物质的去除, 其丰度的增加对于水质的提高具有积极意义；而有机物去除效率和NO3--N浓度与Dokdonella、Thauera、Comamons、Paracoccus之间角度为钝角(>90°), 呈显著负相关, 说明这些微生物丰度的增加会导致活性污泥系统出水水质的下降.图中RB组的样品点(B14~B63)也分布在Dokdonella、Thauera、Comamons、Paracoccus的附近, 即这些微生物普遍存在于邻氯苯酚投加的环境中, 与邻氯苯酚关系紧密, 这与上文中这些微生物可能参与了邻氯苯酚降解的推测相吻合.
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| 图 6 不同邻氯苯酚浓度63 d作用下环境因子与微生物的冗余性分析 Fig. 6 Redundancy analysis for environmental factors and microorganism under 63-day o-chlorophenol dosages |
1) 在SBR长期运行过程中, 10 mg·L-1邻氯苯酚的投加使得活性污泥系统中最高污泥减量达到41.3%, 但系统中COD平均去除率相较未投加下降了10.4%, 且氨氮去除率在前期逐渐下降, 第28 d降至最低, 为82.3%, 后期氨氮去除率可恢复至93.2%.
2) 邻氯苯酚的投加会降低活性污泥系统中微生物的丰富度和多样性.两个反应器中样品OTU共性较小, 邻氯苯酚对其微生物群落产生了较大影响.
3) 邻氯苯酚的投加没有改变系统中的优势菌门, 主导菌门仍为Proteobacteria.
4) 在对微生物群落属水平的分析中发现, AOB优势菌属为Nitrosomonas, 在实验过程下降了88.3%, 随后可缓慢恢复；NOB优势菌属为Nitrospira, 在实验过程中丰度下降明显, 邻氯苯酚对NOB影响较大；邻氯苯酚使得硝化细菌和絮凝菌的相对丰度下降, 丝状菌丰度增加至33.8%, 在一定程度上影响了硝化和沉淀过程.部分参与难降解有机物的功能菌浓度增加, 如Dokdonella相对丰度从0.68%增加至1.33%, Paracoccus增加了近36倍, 这些功能细菌可能参与了邻氯苯酚的降解, 冗余性分析也在一定程度上印证了相关观点.
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