耐鎘硫酸鹽還原活性污泥的馴化及其微生物群落結(jié)構(gòu)分析*

鄭婉盈 張 色 吳明林 江旻峻 秦永麗 梁 英 林瑀鑫 王 鶴 蔣永榮

(桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

目前國內(nèi)外主要采用純培養(yǎng)的SRB開展重金屬廢水處理和重金屬污染土壤修復(fù)[8]。但純培養(yǎng)的SRB易受環(huán)境因素的影響，如pH、溫度、碳源、基質(zhì)濃度等，難以滿足污染治理的需要[9-10]。佘臣杰等[11]利用分離鑒定的SRB(DesulfuromonasalkenivoransS-7)處理酸性重金屬廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水基質(zhì)的波動會明顯影響反應(yīng)器的穩(wěn)定性，造成重金屬去除效率下降。同時(shí)SRB去除重金屬是一個(gè)耗酸過程，易造成反應(yīng)體系pH變化，影響硫化物沉淀的穩(wěn)定性，因此需要其他微生物協(xié)同作用平衡反應(yīng)體系[12-14]。自然界中，SRB通常與其他微生物共存于污泥或土壤中，相互協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)硫酸鹽的還原和重金屬的固定[15-16]。因此馴化出可協(xié)同代謝的混合硫酸鹽還原活性污泥是重金屬廢水處理和污染土壤修復(fù)的關(guān)鍵[17-18]。

本研究分別以處理有機(jī)廢水的厭氧顆粒污泥和鉛鋅礦山周邊重金屬污染土壤為接種污泥，采用連續(xù)流方式培養(yǎng)，馴化耐鎘且具高效硫酸鹽還原活性的污泥，為利用SRB法處理含鎘廢水和修復(fù)鎘污染土壤提供有效的混合菌種，實(shí)現(xiàn)水體和土壤中重金屬的有效去除。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)裝置為上流式厭氧反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器中放置無紡布為微生物附著生長提供載體。反應(yīng)器頂端左側(cè)有一個(gè)出水口，反應(yīng)器旁放置進(jìn)水桶，進(jìn)水通過蠕動泵泵入反應(yīng)器內(nèi)部。整個(gè)反應(yīng)器置于電磁攪拌器上，定期啟動攪拌器，使反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)均勻地分散在反應(yīng)器中。采用智能溫控電伴熱帶將反應(yīng)器內(nèi)的溫度控制在(30±2) ℃，以保證SRB生活在適宜的環(huán)境中[19]。

1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)用水

反應(yīng)器啟動時(shí)，在1#和2#反應(yīng)器中分別接種厭氧顆粒污泥和鉛鋅尾礦砂污染土壤(鎘5.47 mg/kg)，接種污泥體積為反應(yīng)器有效容積的1/5。

圖1 上流式厭氧反應(yīng)器Fig.1 Schematic diagram of the upflow anaerobic reactor

反應(yīng)器進(jìn)水是含硫酸鹽的有機(jī)廢水(見表1)，以乳酸鈉為碳源，以NH4HCO3為氮源，以KH2PO4為磷源，COD∶N∶P=200∶5∶1，硫酸鹽主要來自Na2SO4、FeSO4·7H2O和MgSO4·7H2O混合物，添加一定量微量元素[20]。用CdSO4·7H2O配制Cd2+，用Na2CO3調(diào)節(jié)pH。

表1 反應(yīng)器進(jìn)水配方

1.3 馴化方式

1.4 分析項(xiàng)目與方法

2 結(jié)果與討論

2.1 COD和的變化

圖2 馴化過程中COD和的變化Fig.2 Changes of COD and during domestication

2.2 S2-和Cd2+的變化

圖3 馴化過程中S2-、Cd2+的變化Fig.3 Changes of S2- and Cd2+ during domestication

2.3 污泥的硫酸鹽還原活性和形貌特征分析

采用掃描電子顯微鏡觀察兩個(gè)階段末期污泥的形貌特征，結(jié)果見圖4。階段Ⅰ結(jié)束時(shí)，污泥表面有少量微生物個(gè)體；但在階段Ⅱ結(jié)束時(shí)，反應(yīng)器中污泥表面均出現(xiàn)大量細(xì)菌，以桿菌、球菌和弧菌為主，菌體較粗壯，與其他研究者觀察到的SRB形貌特征相似[28]。此外，在污泥表面均發(fā)現(xiàn)了呈片狀或不規(guī)則的晶體狀物質(zhì)。

2.4 污泥的微生物群落組成

圖4 反應(yīng)器中污泥的掃描電子顯微鏡像Fig.4 Scanning electron microscopy images of sludge in the reactors

3 結(jié) 論

(1) 在上流式厭氧反應(yīng)器中接種厭氧顆粒污泥和鉛鋅尾礦砂污染土壤，經(jīng)過108 d的馴化，均可成功馴化出耐鎘硫酸鹽還原活性污泥。

(3) 經(jīng)過108 d的馴化，1#和2#反應(yīng)器中的SRB菌屬種類和豐度均有提升，污泥中的SRB主要包括硫還原菌屬、脫硫弧菌屬、桿狀脫硫菌屬、脫硫單胞菌屬和脫硫葉菌屬，它們在1#反應(yīng)器污泥中的相對豐度總和(21.40%)大于2#反應(yīng)器(9.38%)。同時(shí)反應(yīng)體系內(nèi)還形成了豐度較高的有機(jī)物代謝菌(不動桿菌屬和牦牛瘤胃菌屬)、中間產(chǎn)物硫還原菌(硫單胞菌屬和紫單胞菌屬)以及硫氧化菌(未定義鹽硫桿狀菌屬)，這些功能菌協(xié)同代謝，能促進(jìn)Cd2+的穩(wěn)定去除。