RBER生物降解溴酸鹽及微生物群落結構分析

吳江濤

【摘 ?要】溴酸鹽是一種致癌性物質，其是由含有溴離子的水體經過臭氧或加氯消毒后產生的消毒副產物。為了探索溴酸鹽降解的有效方法，論文從溴酸鹽的形成機制入手，設計了一種旋轉電極生物膜反應器（RBER）系統，試圖將溴酸鹽還原為溴離子。結合實驗過程來看，溴酸鹽和硝酸鹽對氫電子供體存在明顯的競爭關系，且后者的競爭能力要稍強于前者。基于此，論文分別對不同階段生物膜的微生物群落多樣性進行了分析，確定了其中的優勢菌群。

【Abstract】Bromate is a kind of carcinogenic substance， which is a disinfection by-product produced by ozone or chlorine disinfection of water containing bromate ion. In order to explore an effective method for the degradation of bromate， the paper starts with the formation mechanism of bromate and designs a rotating biofilm-electrode reactor （RBER） system to attempt to reduce bromate to bromine ion. According to the experimental process， bromate and nitrate have obvious competitive relationship with hydrogen electron donor， and the competitive ability of the latter is slightly stronger than the former. Based on this， the paper respectively analyzes the microbial community diversity at different stages of the biofilm， and identifies the dominant bacterial communities.

【關鍵詞】溴酸鹽;RBER;微生物群落

【Keywords】 bromate; RBER; microbial communities

【中圖分類號】X172 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）01-0160-02

1 引言

溴酸鹽在水體中的穩定性較強，基本上很難實現自然降解，由于其具有致癌性，會對人體產生極大的危害，因此，我國在GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》中對溴酸鹽的最大濃度進行了明確規定和限制。基于溴酸鹽具有的非揮發性、高溶解性以及強氧化性等特點，人們開發出了利用微生物對其進行降解以修復溴酸鹽污染水體的技術。

2 溴酸鹽的形成機理分析

臭氧作為一種強氧化劑，在對一些環境危害性較大的藥物降解中可以發揮出有效的作用，同時，還可以起到消毒的作用，消除水體中普通消毒劑無法滅殺的原生動物。在當前階段，臭氧氧化是水處理過程中應用十分廣泛的一種手段，但若是遇到含有溴離子的水，在處理過程中會生成副產物溴酸鹽，該物質具有致癌性和突變性，如何有效解決這一問題是現階段該領域研究的重點。

結合現有研究成果來看，含有溴離子的水體經過臭氧氧化所產生的溴酸鹽（BrO3-）副產物是通過臭氧和羥基自由基（·OH）聯合反應完成的，在化學反應發生的過程中，溴元素經歷了多次狀態變化，涉及的化學式包括Br-、OBr-、BrO2-、BrO3-等。其中，由于臭氧分子和·OH這兩種氧化劑可以同時或順序對溴離子進行氧化，導致整個反應過程的內容變得十分復雜[1]。共有三種途徑：第一，直接由臭氧分子完成氧化;第二，先由臭氧分子氧化，再由·OH氧化;第三，先由·OH氧化，再由臭氧分子氧化。在第一種途徑下，溴離子會被臭氧依次氧化為BrO-、BrO2-以及最終的副產物BrO3-。在第二種途徑下，Br-首先被氧化為BrO-，之后和·OH發生反應生成BrO2-，之后被繼續氧化為BrO3-。在第三種途徑下，Br-首先被·OH氧化為BrO·并持續反應生成BrO2-，之后被臭氧氧化形成溴酸鹽。

3 實驗研究的材料和方法

3.1 實驗材料的選用

本次實驗所選用的主要材料為添加NaNO3和NaBrO3的自來水，并在其中投加了一定量礦質元素和其他微量元素，更好地模擬進水，具體包括H3BO3、KI、CoCl2·2H2O、Na2SeO3等。

3.2 實驗裝置及其運行機制

本次研究設計了一種旋轉電極生物膜反應器（RBER）輔助實驗開展。在實驗過程中，將活性炭纖維的陰極設計為自動旋轉型，這樣可以有效提升微生物在陰極上的掛膜速率。為了使溶液的初始酸堿度符合要求，特意使用濃度均為0.1mol/L的H2SO4和NaOH對其進行適當調節[2]。

微生物接種選擇的某污水處理廠的剩余活性污泥，具體處理步驟如下：首先將污泥靜置0.5h，之后去除上清液。在處理完成后取出0.5L放置在反應器內，并定期向其中添加特定濃度的硝酸鹽培養液。系統內部的水溫應維持在30℃，注意在培養的前五天不能將電極接通電源，使微生物充分消耗污泥中含有的碳源。電源選擇強度為10mA的恒定電流，進水水流停留時間設定在12h，進行連續流缺氧培養半個月。在此期間，應以24h為周期向其中填充氮氣，使反應器內部始終保持厭氧環境。期限達到之后，若反應器出水的pH值保持在6.5～8.0，且硝酸鹽的去除率達到70%以上，即代表馴化完成，此后可不需要向其中填充氮氣。之后向進水中添加一定濃度的溴酸鹽，同時，逐步將硝酸鹽的進水濃度降到零。除馴化期外，反應器系統運行還可以分為五個階段，分別以A、B、C、D、E代表，則整個運行周期共有六個階段。

3.3 具體分析方法介紹

第一，對反應器系統的進出水污染物的濃度進行測定。對于出水樣品，使用聚二氟乙烯膜進行過濾處理后使用離子色譜儀對其中溴酸鹽、溴、硝酸鹽等各類離子濃度進行測定。第二，生物膜樣品的采集及基因組DNA提取。為了研究反應器系統中生物膜樣品菌群的富集程度以及種屬組成，應使用滅菌雙面刀片通過刮取的方式獲得原始污泥樣品，裝入無菌Eppendorf管中，之后分別對RBER系統運行不同階段進行取樣，同樣是采用滅菌雙面刀片在活性炭氈陰極刮取7g左右的纖維絲，然后將其置入離子水中通過涮洗的方式去除其上附著的非電極微生物或雜質，最后裝入無菌的Eppendorf管中，并分別進行數字編號對應各個階段。對于采集的生物膜樣品則需要使用掃描電鏡進行分析，并提取樣品的基因組DNA進行分析。第三，PCR擴增和高通量測序。將從生物膜樣品中提取的基因組DNA作為模板，合成帶有標記物的特異引物。對PCR引物中標簽序列的插入位置進行標記，為測序位置的識別提供依據。PCR的擴增產物使用2%的瓊脂糖凝膠進行電泳檢測。之后對DNA進行回收，再進行高通量測序。在對微生物群落結構進行分析時，需要使用高通量測序儀、高速離心機、小型離心機、PCR儀、電泳電源、掃描電鏡、凝膠成像系統、高壓蒸汽滅菌鍋、超凈工作臺等相關設備。

4 實驗結果的分析討論

4.1 反應器不同運行周期結果分析

微生物接種并馴化完成后，反應器運行進入A階段，該階段開始向系統內部加入溴酸鹽。當反應器完成對溴酸鹽的穩定去除之后，開始增加溴酸鹽的進水負荷。在A階段進水中投加150μg/L的溴酸鹽，通過出水檢測并未發現溴酸鹽，同時，反應器中也未發現溴離子，但出水中亞硝酸鹽的濃度卻出現了提升，由此可見，投入的溴酸鹽主要是被微生物膜所吸附，并未發生降解，原因是未檢測到還原產物溴離子。亞硝酸鹽濃度增長的原因是溴酸鹽對自養反硝化過程產生了影響[3]。

在進入B階段之后，進水投加的溴酸鹽為400μg/L，通過檢測發現溴酸鹽全部被還原，出水中含有等量的溴離子，這說明微生物能夠良好適應溴酸鹽的負荷，并將其還原降解為溴離子。

在反應器進入C階段時，基本上形成較為穩定的運行狀態，此時將進水中硝酸鹽的濃度以及溴酸鹽的濃度均提升一倍，從25mg/L和400μg/L分別提升到50mg/L和800μg/L。從檢測結果來看，此時系統出水中溴酸鹽的濃度開始增長，達到80μg/L，已經遠遠超過我國國家標準。同時，出水中亞硝酸鹽的累積量也開始出現增長趨勢，可見本階段溴酸鹽和硝酸鹽的降解效率已經開始走低，據分析，可以推測出現這種現象的主要原因是電子供體（H2）開始出現不足。結合其他研究成果可以提出假設，在溴酸鹽負荷較高的情況下，硝酸鹽會與溴酸鹽競爭電子供體，一旦電子供體出現不足，必然會對溴酸鹽的降解產生不利影響[4]。

4.2 生物膜分析

在反應器運行的過程中，通過掃描電鏡可以發現，在運行的不同階段，生物膜樣品的表面形態也存在一定的差異性。其中，原始污泥呈緊密結合的塊狀。2號生物膜則已經完全覆蓋陰極的活性炭纖維，之后的3、4、5號樣品的生物膜結合更加緊密，這表明生物膜上的微生物一直在持續生長，相應的對溴酸鹽的降解能力也在持續提升。最后的6號樣品生物膜則呈現出絲狀，其形貌和其他樣品之間存在較大的差異性，說明此時生物膜上的微生物群落相較于其他樣品已經發生了質變。

5 結語

結合本次實驗結果來看，在使用旋轉電極生物膜反應器對溴酸鹽進行降解的過程中，硝酸鹽和溴酸鹽對電子供體存在競爭關系，且前者的競爭能力強于后者。溴酸鹽的降解是復合菌群作用的結果，隨著運行時間的增加，菌屬多樣性逐漸降低，優勢菌包括枯草桿菌屬、假單胞菌屬以及乳球菌屬三類。

【參考文獻】

【1】鐘宇，楊麒，李小明，等.RBER生物降解溴酸鹽及微生物群落結構分析[J].中國環境科學，2017，37（05）：1945-1953.

【2】李靈娜.電極生物膜研究概述[J].生物技術世界，2012，10（12）：73+75.

【3】鐘宇.化學和電化學-微生物偶聯法降解溴酸鹽的研究[D].長沙：湖南大學，2016.

【4】魯金鳳，張勇，王藝，等.溴酸鹽的形成機制與控制方法研究進展[J].水處理技術，2010，36（11）：5-10.