靜態(tài)磁場對生物滴濾池強化的研究——以三氯乙烯廢氣的去除及細菌群落結(jié)構(gòu)研究為例

權(quán) 躍,吳 昊,尹振浩,郭春雨,尹成日,*

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靜態(tài)磁場對生物滴濾池強化的研究——以三氯乙烯廢氣的去除及細菌群落結(jié)構(gòu)研究為例

權(quán) 躍1,2,吳 昊2,尹振浩3,郭春雨2,尹成日2,3*

(1.延邊大學農(nóng)學院環(huán)境科學系,吉林 延吉 133002；2.延邊大學理學院化學系,吉林 延吉 133002；3.延邊大學分析測試中心,吉林 延吉 133002)

構(gòu)建了實驗室規(guī)模磁場強化的生物滴濾池(MF-BTF),并設(shè)對照生物滴濾池(S-BTF),以火山石為載體,接種活性污泥,處理目標廢氣三氯乙烯(TCE).研究了不同磁場強度下,2種生物滴濾池在穩(wěn)定運行期間對TCE的去除效果,并采用高通量測序技術(shù)對滴濾池中細菌群落結(jié)構(gòu)與功能進行了分析.實驗結(jié)果表明:在好氧條件下,當空床停留時間(EBRT)為202.5s,苯酚濃度為0.20g/L,TCE濃度范圍為53.6~337.1mg/m3時,對TCE的去除效果依次為MF-BTF(60.0mT)>MF-BTF(30.0mT)>S-BTF (0.0mT)>MF-BTF(130.0mT),其去除率(RE)和最大去除容量(EC)分別為92.2%~45.5%, 2656.8mg/(m3×h); 89.8%~37.2%, 2169.1mg/(m3×h); 89.8%~29.8%, 1967.7mg/(m3×h); 76.0%~20.8%, 1697.1mg/(m3×h).高通量測序結(jié)果表明:磁場強度為60.0mT時,細菌群落均勻度(Shannon index, Simpson index)及豐富度(OTUs,Chao1,ACE)均小于0.0mT的情況;但是60.0mT下優(yōu)勢門、綱、屬為Proteobacteria, Gammaproteobacteria,,豐度明顯大于0.0mT,豐度分別為73.3%,36.8%,34.7%;69.6%,18.2%,10.9%.實驗結(jié)果表明合適的磁場強度可以增大優(yōu)勢菌群的豐度,提高對TCE的去除效果.本實驗為提高生物滴濾池的工業(yè)廢氣處理效果提供了有效的借鑒,具有廣泛的應(yīng)用前景.

磁場；生物滴濾池；三氯乙烯；細菌群落；高通量

生物法凈化處理有機廢氣(VOCs)具有高效、低能耗、運行管理方便等特點,目前成為主要的處理方法[1].生物處理技術(shù)中生物轉(zhuǎn)鼓和膜反應(yīng)器對廢氣處理效果好,但是前者密封要求高,工程放大比較困難;后者的膜材料價格高,成本高于其他生物反應(yīng)器[2].而生物滴濾技術(shù)具有占地面積小、操作簡單、壓降低,填料使用壽命長,耐酸代謝產(chǎn)物的優(yōu)勢能力[3-4].但由于疏水性VOCs的溶解度小,氣液傳質(zhì)受限制,生物滴濾池對其處理效果差.

近年來出現(xiàn)很多提高生物滴濾池對疏水性有機廢氣降解效果的新技術(shù),如添加表面活性劑、構(gòu)建真菌生物滴濾池、組合的生物過濾技術(shù)等.表面活性劑可以增加疏水性VOCs在氣液界面的傳質(zhì)速率及在水相中的溶解度,能有效降低氣液間的傳質(zhì)阻力[5],如皂苷、十二烷基磺酸鈉均能提高正己烷在生物反應(yīng)器中的降解效果[6-7].而海藻酸R810-60未能提高生物濾池降解TCE,四氯乙烯性能[8].表面活性劑容易被微生物降解,產(chǎn)生一些中間副產(chǎn)物,另外表面活性劑具有清洗作用,減少生物量[9].真菌比細菌對疏水性VOCs具有很高的去除能力,但是真菌需要特定的生長條件(pH值、濕度、溫度及營養(yǎng)物質(zhì))[10],菌絲的過度生長會使反應(yīng)器壓降升高,引起填料堵塞等問題.組合生物過濾技術(shù)中紫外光解技術(shù)作為一種化學預(yù)處理技術(shù),把疏水性有機廢氣光解為可溶的小分子化合物,提高生物滴濾池處理效果[11],但是容易產(chǎn)生O3和一些毒性更強的副產(chǎn)物.另外,光催化氧化技術(shù)是在紫外光的照射下,利用半導體如TiO2、ZnO、WO3、FeTiO3和SrTiO3等材料對有機污染物進行光誘導使其分解成水溶性較高且可生化性強的物質(zhì)[12].但是,光催化氧化技術(shù)費用高,易產(chǎn)生很多種有害副產(chǎn)物,而且存在催化劑易失活的缺點,使得光解效率下降[13-15].

因此尋求一種高效、經(jīng)濟環(huán)保的生物滴濾技術(shù)對提高對疏水性VOCs的降解效果十分必要.磁技術(shù)強化微生物降解有機物是近幾年新興的一項生物強化技術(shù),作為一種環(huán)保、無毒、無須額外的能源和藥劑投入的方法[16],可以提高廢水中氨氮、COD、甲醛、苯酚、染料和重金屬的去除效果[17-20].但到目前為止,磁場在廢氣協(xié)同生物降解中未見報道.三氯乙烯(TCE)作為一種優(yōu)良的溶劑廣泛應(yīng)用于多個行業(yè),由于不合理的排放和意外泄露,它被大量釋放到環(huán)境中[21].TCE屬于氯代揮發(fā)性持久有機污染物,在環(huán)境中很難降解,所以探索高效、經(jīng)濟、環(huán)保的有效治理途徑尤為重要.

基于上述研究背景分析,本研究以TCE為目標廢氣,構(gòu)建了實驗室規(guī)模磁場強化的生物滴濾池(MF-BTF)和對照生物滴濾池(S-BTF),考察穩(wěn)定期運行期間,不同磁場強度對TCE降解效果的影響,并應(yīng)用高通量測序技術(shù)對60.0mT、0.0mT、IAS(原始活性污泥)中細菌群落結(jié)構(gòu)和功能進行分析.以期為磁場條件下提高生物滴濾技術(shù)對疏水性VOCs的處理效果提供有效借鑒.

1 材料與方法

1.1 生物滴濾池的構(gòu)建與啟動

本實驗在室溫(21±2)℃條件構(gòu)建了外加磁場MF-BTF反應(yīng)器及其對照反應(yīng)器S-BTF,如圖1所示.滴濾池材料為有機玻璃,高度為1000mm,內(nèi)徑為110mm,工作容積可達2.7L,內(nèi)部填料為粒徑8~10mm的長白山火山石.磁場是由兩塊磁鐵(長120mm,寬100mm)產(chǎn)生的異級磁場,磁鐵材料為釹鐵硼,磁場強度由HT20型特斯拉計(上海亨通磁電技術(shù)有限公司)測量.

向MF-BTF反應(yīng)器內(nèi)注入已馴化的活性污泥并于24h后排放.反應(yīng)器采用氣液逆流的方式運行.即TCE與空氣混合后從滴濾池底部通入,通過質(zhì)量流量計控制進氣濃度和流量,流量設(shè)置為0.8L/min,對應(yīng)的空床停留時間(EBRT)為202.5s;無機鹽營養(yǎng)液通過蠕動泵每隔8h,由滴濾池頂部噴灑10min,速度為3L/h,每2d更換一次營養(yǎng)液,每天都對營養(yǎng)液的pH值進行監(jiān)測,并調(diào)節(jié)pH值為7.2左右.

1.2 微生物的培養(yǎng)與接種

好氧活性污泥取自延吉市污水處理廠的曝氣池.取回的活性污泥靜置24h,棄去上清液,加入營養(yǎng)液在水桶內(nèi)曝氣培養(yǎng)一周.之后對其進行馴化,即每隔2d排除上清液,添加新的營養(yǎng)液,營養(yǎng)液中逐漸減少乙酸鈉的含量,相反增大苯酚濃度至0.20g/L,并加入低濃度的TCE溶液,直到培養(yǎng)馴化60d結(jié)束.營養(yǎng)液為:0.60g/L乙酸鈉,0.46g/L磷酸氫二鉀,0.38g/L磷酸二氫鉀,0.48g/L硫酸銨,0.40g/L氯化鈉,0.1g的微量元素混合液,pH值調(diào)節(jié)為7.2.微量元素混合液(g/L)的成分有: CuSO4·5H2O,0.01;KI,0.01;CaCl2·2H2O,0.132;Na2MoO4·2H2O,0.02;KAl(SO4)2·12H2O,0.02;MnSO4·H2O,0.045;CoCl2·6H2O,0.05;FeCl3,0.12;H3BO3,0.05; ZnSO4·7H2O,0.075.

1.3 分析方法

TCE濃度由島津GC-2010氣相色譜儀測定,FID檢測器,色譜柱型號為Rtx-1701 (30m× 0.25mm×0.25μm).分析條件為:進樣口和檢測器的溫度為220℃,毛細管柱的溫度為80℃,載體的氮氣流速為136.3mL/min,柱體流速為1.32mL/ min.采用分流模式,分流比為100.在此條件下,TCE的保留時間約為2.59min.

圖1 磁場強化生物滴濾池裝置示意及填料掛膜后SEM圖像

1.4 細菌群落分析

1.4.1 基因組DNA提取 為分析有、無磁場對生物膜中細菌群落結(jié)構(gòu)的影響,本實驗選取MF-BTF反應(yīng)器最佳磁場強度為60.0mT(31d, 182.4mg/m3TCE)和S-BTF反應(yīng)器(0.0mT,15d, 171.1mg/m3TCE)下的生物膜.取自延吉市污水處理廠的原始活性污泥(IAS) 作為對照.按照Power Soil DNA試劑盒的說明提取基因組DNA.提取的DNA在1%的瓊脂糖凝膠電泳上檢測,并測定DNA濃度,稀釋至5.0ng/μL待用.DNA樣品在進行后續(xù)的分析之前貯存在-80℃的溫度下.

1.4.2 PCR擴增反應(yīng) 對細菌DNA的16S rRNA的V4區(qū)域進行擴增,引物為515F(5￠- GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3￠)和806R(5￠- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3￠).PCR反應(yīng)采用50.0μL體系,包含:0.3μL Taq DNA聚合酶(上海生工,5.0U/μL), 6.0μL dNTP mix (2.5mmol/L), 0.6μL BSA, 1.2μL 引物(10μmol/L), 6.0μL 10×ExTaq 緩沖液, 1.0μL DNA和43.7μL無菌去離子水.PCR反應(yīng)條件為:94℃預(yù)變性5.0min, 94 ℃下變性1min,55℃復性30s, 72℃延伸45s,重復31個循環(huán),最終在72℃下延伸10.0min.擴增產(chǎn)物在加入嗅化乙錠的2%的瓊脂糖凝膠上檢測.使用TaKaRa DNA Fragment Purification Kit Ver.2.0進行DNA純化回收.

1.4.3 高通量測序 使用TruSeq? DNA PCR- Free Sample Preparation Kit建庫試劑盒進行文庫構(gòu)建,構(gòu)建好的文庫經(jīng)過Qubit和Q-PCR定量,文庫合格后,使用HiSeq2500PE250進行上機測序(北京諾禾致源生物信息科技有限公司).

1.4.4 生物信息學分析 對原始序列截去Barcode和引物序列,后使用FLASH軟件對每個樣品的reads進行拼接,得到的拼接序列為原始Tags數(shù)據(jù)[22];再對其經(jīng)過嚴格的過濾處理得到高質(zhì)量的Clean Tags[23].之后參照Qiime的Tags質(zhì)量控制流程進一步對Tags進行截取和長度過濾[24];所得Tags序列通過UCHIME Algorithm[25]與數(shù)據(jù)庫(Gold database)進行比對檢測、去除嵌合體序列[26],從而得到最終的有效數(shù)據(jù)(Effective Tags).對所有樣品的Effective Tags進行聚類,以97%的一致性將序列聚類組合為OTUs,該OTUs是基于Uparse軟件的距離矩陣[27].對OTUs代表序列用Mothur方法與SILVA的SSUrRNA數(shù)據(jù)庫進行物種注釋分析(設(shè)定閾值為0.8-1),獲得分類學信息并分別在各個分類水平,統(tǒng)計各樣本的群落組成.使用Qiime軟件(Version 1.7.0)計算Chao1,Shannon,Simpson,ACE,Goods-coverage指數(shù),使用R軟件(Version 2.15.3)繪制稀釋曲線等.原始數(shù)據(jù)已被上傳到NCBI數(shù)據(jù)庫, SRA: SRP1104671.

2 結(jié)果與討論

2.1 磁場強度對生物滴濾池去除性能的影響

磁現(xiàn)象是一種普遍存在的物理現(xiàn)象,人們每時每刻都生存在地球這個大磁場之中.有研究表明,外加磁場和生物體自身的磁場均能對生物體代謝產(chǎn)生影響,即生物磁效應(yīng)[28].低磁場強度對微生物生長有正效應(yīng),提高其對有機物的降解能力,然而磁場強度過大,起抑制作用[29].因此,為了確定不同磁場強度對反應(yīng)器性能的影響,本實驗在反應(yīng)器穩(wěn)定運行期,以0.20g/L苯酚作為共代謝底物,EBRT為202.5s,探討了0.0,30.0,60.0和130.0mT條件下,兩個種反應(yīng)器對TCE的降解效果,進氣濃度為53.6~337.1mg/m3條件下,結(jié)果見圖2.

評價生物滴濾池性能的主要指標之一是有機物的去除率 (RE),RE是指處理后有機物濃度占進氣濃度的比率.從圖2可以看出,無論是S-BTF還是MF-BTF,隨著TCE濃度的增大,RE都呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢.在穩(wěn)定期1~19d, TCE進氣濃度控制在53.6~326.8mg/m3,S-BTF(0.0mT)的RE從89.8%下降到29.8%;而在MF-BTF中,磁場強度為30.0mT, RE從89.8%下降到37.2%,由此說明在開始幾天RE相差不多,但隨著時間的延長,磁場對提高生物滴濾池降解TCE效果較為明顯,尤其是到19d,MF-BTF的RE降至37.2%,大于S-BTF反應(yīng)器的29.8%.而接著在21~39d, MF-BTF反應(yīng)器中磁場強度為60.0mT,TCE濃度為53.6~326.8mg/m3,RE從92.2%下降到45.5%.由此說明,60.0mT磁場強度下對TCE的降解效果好于30.0mT和0.0mT.接著增大磁場強度為130.0mT,此時的TCE濃度控制為58.7~ 337.1mg/m3,RE為76.0%~20.8%,此時RE最差,甚至小于0.0mT,這說明當磁場強度為130.0mT時,磁場對生物滴濾的TCE降解起到抑制作用.

評價生物滴濾池性能的另一個主要指標是有機物的降解能力(EC),EC是指單位體積濾料在單位時間內(nèi)有機物的降解量.進氣負荷(ILR)對EC的影響見圖3.由圖3可知,EC均表現(xiàn)為相同的趨勢,隨著進氣負荷的增大,EC均表現(xiàn)為先增大,增大到某一值后,均表現(xiàn)為下降趨勢.4種條件下對EC的影響趨勢為MF-BTF(60.0mT) > MF- BTF (30.0mT) > S-BTF (0.0mT) > MF-BTF (130.0mT).最大的EC在這4個階段分別為 2656.8,2169.1,1967.7和1679.1mg/(m3?h),所對應(yīng)的進氣負荷(ILR)分別為4253.0, 3732.4, 4681.4和4290.8mg/(m3?h).截至目前,利用生物滴濾池去除TCE的文獻報道僅有一篇[30],G4作為降解菌,陶粒為填料,牛肉湯為營養(yǎng)液,苯酚為共代謝底物,EBRT為3.8~9.8min, TCE進氣負荷為492.0~1708.0mg/(m3×h),所獲得的最大的EC僅為1167mg/(m3×h).由此可見,MF-BTF (60.0mT)對TCE的去除效果較好,其EC值[2656.8mg/(m3×h)]是上述數(shù)值的近2倍.

通過對上述RE和EC的評價,表明60.0mT磁場強化下生物滴濾池對TCE去除效果較好.已有研究表明弱磁場或中等強度的磁場可以促進微生物生長,如370mT磁場強度下,通過縮短生長滯后期和對數(shù)期,生長速度提高28%,活性增加10%,苯酚的降解率提高34%[19].在17mT磁場強化下可促進等氨氧化菌的生長,提高氨氧化速率,從而促進亞硝酸鹽的積累[31].另外磁場可以提高活性污泥的污染物去除效果,外加80mT磁場的活性污泥系統(tǒng)較對照系統(tǒng)的COD、NH3-N、PO43--P去除率分別提高10.7%、0.4%和6.1%[32].20~ 40mT磁場,可以促進活性污泥在低溫5℃產(chǎn)生較多的不飽和脂肪酸,提高脫氫酶含量[33].除此之外,磁場條件下可以提高培養(yǎng)液里溶解氧的含量,從而促進需氧菌的生長,進而提高生物膜中的溶解氧,提高廢水廢氣的微生物降解效果[34].通過以上研究分析,作者認為在外加60.0mT磁場下的生物滴濾器對TCE具有較好的降解效果,分析原因為生物膜中的溶解氧含量增加,促進好氧菌的生長速度,生物膜中胞外多糖和蛋白質(zhì)含量增加,功能酶的含量提高;此外,在磁場強化下,微生物抵御不良條件的能力也增強.

圖2 0, 30.0, 60.0, 130.0mT下的進氣濃度與去除率曲線

圖3 0.0,30.0,60.0,130.0mT下,TCE進氣負荷對生物滴濾池去除能力的影響

2.2 細菌群落多樣性分析

本次測序各樣品原始序列數(shù)分布均勻,基本在160,000條左右,如表1所示.除去識別錯誤以及質(zhì)量差的序列后,有效序列數(shù)在IAS、MF- BTF、S-BTF中分別為161,309、157,078和152, 160條.對不同樣品的有效序列在97%一致性閾值(148,419)下的Alpha Diversity分析指數(shù)進行統(tǒng)計,見表1.物種多樣性有兩種含義:其一是豐富度,指的是物種數(shù)目的多寡;其二是均勻度,指的是各物種個體數(shù)目分配的均勻程度.OTUs、Chao1和ACE指數(shù)反映著細菌的豐富度; Shannon index 和Simpson index反映了細菌的均勻度[35].

由表1可見,細菌的豐富度和均勻度依次為IAS>MF-BTF>S-BTF.這是由于IAS是直接取自污水處理廠,含有較多的細菌.而活性污泥經(jīng)過馴化后,通過競爭和選擇作用,一些細菌被淘汰,適應(yīng)性強的細菌存活下來,致使豐富度和均勻度均變小.而MF-BTF中細菌的豐富度和均勻度均小于S-BTF,說明一些細菌不適應(yīng)在磁場條件下生存,磁場的存在對有些細菌產(chǎn)生抑制作用,而有些細菌適合生長在磁場條件下.所有樣品的測序深度均為0.99,表明獲取自每一樣品中的序列可以覆蓋細菌的多樣性.

表1 MF-BTF,S-BTF和IAS中細菌豐富度和多樣性指數(shù)

稀疏曲線進一步解釋了樣品測序深度的合理性和準確性,當曲線趨向平坦時,說明測序數(shù)據(jù)讀取量逐漸合理,并間接反映樣品中物種的豐富度.該曲線是從樣品中隨機抽取一定測序量的數(shù)據(jù),統(tǒng)計它們所代表物種數(shù)目(即OTUs數(shù)目),以抽取的測序量與對應(yīng)的物種數(shù)來構(gòu)建曲線,如圖4.由圖4可知,MF-BTF中的OTUs數(shù)目始終低于IAS和S-BTF,說明MF-BTF中細菌豐富度最小;而當所讀取的序列數(shù)超過150,000時,曲線趨于平緩,說明測序達到了要求,如果繼續(xù)讀取更多的序列數(shù),新產(chǎn)生的物種很少,會造成浪費.

圖4 高通量測序中IAS,S-BTF和MF-BTF細菌群落稀釋曲線

2.3 細菌群落結(jié)構(gòu)分析

圖5 細菌群落層次聚類

根據(jù)所有樣品在屬水平的物種注釋及豐度信息,選取豐度排名前35的屬,根據(jù)其在每個樣品中的豐度信息,從物種和樣品兩個層面進行聚類,繪制成熱圖,用來直觀的觀察樣品中細菌群落結(jié)構(gòu)的差別,如圖5所示.3個樣品被聚為2類,IAS單獨為一類,2個反應(yīng)器中細菌群落被聚為一類,主要原因為IAS為污水廠原始活性污泥,而MF-BTF和S-BTF均經(jīng)過苯酚和TCE的馴化,所以被聚為一類.由圖5可見所有細菌分成A組、B組、C組3大類,群落豐度在3個樣品中差別明顯.A組細菌的豐度在IAS中較大,B組細菌的豐度在S-BTF中較大,C組細菌在MF-BTF中較大,環(huán)境差別造成了群落豐度的明顯差別.

為了進一步明確3個樣品細菌群落的差別,對所有樣品進行均一化處理繪制韋恩圖(圖6).從圖6可知,3個樣品中共有的OTUs為785,所占比例為28.0%;IAS和MF-BTF中共有的OTUs為973,所占比例為48.8%;IAS和S-BTF樣品中共有的1008,所占比例為50.2%,MF-BTF和S-BTF中共有的OTUs為974,占總OTUs的54.3%.由此說明MF-BTF和S-BTF中細菌群落相似性最大,主要是由于2者所處的環(huán)境相似性大于IAS,而受磁場的影響二者的相似性僅為54.3%,說明磁場對細菌群落結(jié)構(gòu)有很大影響.

圖6 高通量測序中IAS, S-BTF和MF-BTF細菌群落韋恩

2.4 細菌在門、綱、屬分類單元的差別

選取每個樣品在分類水平(門、綱、屬)上最大豐度排名前10的物種,做成物種相對豐度柱形累加圖,如圖7所示.圖7a中,在IAS、MF-BTF、S-BTF中排名前10門的相對豐度之和占總細菌的比例分別為86.9%、87.5%和88.4%. Bacteroidetes和Proteobacteria是其中2個優(yōu)勢門.Bacteroidetes的相對豐度在IAS中為30.7%,而在MF-BTF、S-BTF中明顯下降僅為10.1%, 8.7%.另外Proteobacteria經(jīng)過馴化在MF-BTF和S-BTF中所占豐度為73.3%和69.6%,明顯大于IAS中的46.2%.

圖7 IAS、MF-BTF和S-BTF中細菌群落在門、綱、屬水平的相對豐度

這表明馴化環(huán)境抑制Bacteroidetes的生長,而Proteobacteria門的豐度在TCE降解過程中顯著增加,是苯酚共代謝降解TCE的優(yōu)勢菌門.已報道的苯酚降解優(yōu)勢菌門也屬于Proteobacteria,與本研究結(jié)果一致[36-37].

圖7b表明了3個樣品中豐度較大的前10個細菌綱.在IAS、MF-BTF和S-BTF中,前10個綱的細菌分別占總細菌的81.4%,85.9%,86.1%.優(yōu)勢綱為Gammaproteobacteria,在MF-BTF中最高為36.84%,而在S-BTF和IAS中分別18.2%和10.4%.Gammaproteobacteria作為優(yōu)勢綱與已報道的作為苯酚降解菌綱一致[36-37].

圖7c描述了前10個豐度較大的細菌屬.在IAS、MF-BTF和S-BTF中,前10個屬的細菌分別占總細菌豐度的20.2%,55.0%和49.2%.其中優(yōu)勢屬屬于Proteobacteria門, Gammaproteobacteria綱.其相對豐度MF-BTF (34.7%)中的為S-BTF(10.9%)中的3倍,為IAS(5.2%)中的6倍.這表明在MF-BTF反應(yīng)器中磁場可以促進優(yōu)勢屬生長,明顯提高在細菌群落中的豐度sp. 已應(yīng)用于多種污染物的生物修復中,如阿特拉津[38]、鄰苯二甲酸二丁酯[39]、柴油[40]、萘[41]等.近年來,由于對苯酚具有較高的生物降解活性[42-44],而受到廣泛關(guān)注,被應(yīng)用到TCE的共代謝降解中.另外兩種細菌屬于和,二者以TCE和苯酚降解過程中的中間體作為碳源.在MF-BTF中,的相對豐度最大為4.2%,而S-BTF和IAS中僅為1.6%和0.6%.可降解多種有機氯農(nóng)藥,并利用其作為唯一碳源和能源[45],這意味著他可以降解TCE共代謝過程中的中間產(chǎn)物.sp.被報道為TCE共代謝的一種菌,另外還可以降解喹啉[46],聚丁二酸丁二醇酯薄膜[47]和有機酸[48-49]等.sp.的相對豐度在MF-BTF(3.8%)中高于S-BTF (2.2%),這可能與降解過程中產(chǎn)生的有機酸以及TCE共代謝降解有關(guān).MF-BTF反應(yīng)器中和的相對豐度明顯高于S-BTF,表明磁場促進功能微生物的生長和苯酚加氧酶的產(chǎn)生,從而提高TCE去除效果.門、綱和屬水平的細菌群落分析結(jié)果表明MF-BTF反應(yīng)器中優(yōu)勢群落豐度大于S-BTF和IAS,從而提高MF-BTF反應(yīng)器對TCE的降解效果.

3 結(jié)論

3.1 0.20g/L苯酚為共代謝底物,EBRT為202.5s,進氣濃度為53.6~337.1mg/m3,不同磁場下生物滴濾池對TCE降解能力為60.0mT>30.0mT> 0.0mT>130.0mT.磁場強度為60.0mT下的生物濾池對TCE的RE為92.2%~45.5%,最大EC為2656.8mg/(m3×h),而無磁場(0.0mT)條件下的RE和最大EC僅為89.8%~29.8%和1967.7mg/ (m3×h).

3.2 高通量測序結(jié)果表明磁場對細菌群落結(jié)構(gòu)影響明顯,MF-BTF(60.0mT)和S-BTF(0.0mT)中的細菌群落聚為一類,但菌群相似率僅為54.3%.另外,MF-BTF(60.0mT)中細菌的豐富度、均勻度均低于S-BTF(0.0mT)和IAS,但是共代謝降解TCE的優(yōu)勢菌在門、綱、屬水平分別為Proteobacteria、Gammaproteobacteria, MF-BTF(73.3%、36.8%、34.7%)中的相對豐度遠大于S-BTF(69.6%、18.2%、10.9%)和IAS(46.2%、10.4%、5.2%).

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The strengthening effect of a static magnetic field on biotrickling filter—Study on trichloroethylene removal and bacterial community.

QUAN Yue1, WU Hao2, YIN Zhen-hao3, GUO Chun-yu2, YIN Cheng-ri2,3*

(1.Department of Environmental Science, Agricultural College, Yanbian University, Yanji 133002, China；2.Department of Chemistry, College of Science, Yanbian University, Yanji 133002, China；3.Analytical and Testing Center, Yanbian University, Yanji 133002, China)., 2018,38(3)：1099~1108

A laboratory-scale biotrickling filter combined with a magnetic field (MF-BTF) and a single BTF (S-BTF) packed with laver rocks were set up to treat trichloroethylene (TCE) gasthrough inoculation of activated sludge. The influences of different MF intensities were investigated andhigh-throughput sequencing was studied to bacteria community and functions. The results showed that in aerobic conditions, with 0.20g/L of phenol, 53.6 to 337.1mg/m3of TCE, and empty bed residence times (EBRT) of 202.5s, the performances followed the order MF-BTF (60.0mT) > MF-BTF (30.0mT) > S-BTF (0.0mT) > MF-BTF (130.0mT), and the removal efficiencies (REs) and maximum elimination capacities (ECs) corresponded to: 92.2%~45.5%, 2656.8mg/(m3×h); 89.8%~37.2%, 2169.1mg/(m3×h); 89.8%~29.8%, 1967.7mg/(m3×h); 76.0%~20.8%, 1697.1mg/(m3×h), respectively. High-throughput sequencing indicated that the bacterial diversity was lower, whereas the relative abundances of predominant bacteria: Proteobacteria, Gammaproteobacteria, Acinetobacter were higher in MF-BTF (60.0mT: 73.3%, 36.8%, 34.7%) than that in S-BTF (0mT: 69.6%, 18.2%, 10.9%). Results confirmed that a proper MF could improve TCE removal performance in BTF.

magnetic field；biotrickling filter；trichloroethylene；bacterial community；high-throughput sequencing

X505

A

1000-6923(2018)03-1099-10

權(quán) 躍(1978-),女,吉林九臺市人,講師,博士,主要從事有機污染物生物降解方面的研究.發(fā)表論文50余篇.

2017-08-22

國家自然科學基金(21662038)

* 責任作者, 教授, cryin@ybu.edu.cn