低溫下AHLs對(duì)多級(jí)A/O工藝中好氧生物膜特性的影響

周榮煊,馬瀟然,李 軍*,張林華,張 晶,張亞超,韓 浩

低溫下AHLs對(duì)多級(jí)A/O工藝中好氧生物膜特性的影響

周榮煊1,馬瀟然1,李 軍1*,張林華2,張 晶1,張亞超1,韓 浩1

(1.北京工業(yè)大學(xué)城建學(xué)部,北京 100124；2.北京質(zhì)寶信息科技有限公司,北京 102600)

針對(duì)低溫條件下多級(jí)A/O工藝出水氨氮容易超標(biāo)問(wèn)題,進(jìn)行外源添加酰基高絲氨酸內(nèi)酯類(lèi)信號(hào)分子(AHLs)對(duì)低溫下多級(jí)A/O工藝好氧段生物膜特性的影響研究.結(jié)果表明:添加100nmol/L的己酰基高絲氨酸內(nèi)酯(C6-HSL)后生物膜硝化效率提高了22.34%,十二烷酰基高絲氨酸內(nèi)酯(C12-HSL)則將生物附著量提高了24.47%,且C6-HSL和C12-HSL對(duì)生物膜硝化效率和生物附著量的提高作用均具有長(zhǎng)期性.這是因?yàn)镃6-HSL能夠?qū)⒌蜏叵潞醚醵紊锬は趸钚蕴岣?7.56%,而C12-HSL可以將胞外聚合物(EPS)中蛋白質(zhì)(PN)的含量提高67.37%.此外,C6-HSL和C12-HSL均能促進(jìn)對(duì)應(yīng)信號(hào)分子的內(nèi)源釋放,因此對(duì)生物膜硝化活性和附著性能具有長(zhǎng)期積極影響.高通量測(cè)序分析表明C6-HSL可提高(亞硝化單胞菌)的豐度,故能提高R2中生物膜硝化活性;而外源添加C12-HSL對(duì)r(紅桿菌屬)豐度影響較大,這是實(shí)驗(yàn)組R5生物膜EPS中PN含量增加的重要原因.

多級(jí)A/O；生物膜；低溫；群體感應(yīng)

水中含氮污染物濃度過(guò)高容易導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,與傳統(tǒng)活性污泥法相比,多級(jí)A/O工藝具有有機(jī)負(fù)荷均勻,碳源利用充分,氧氣利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1].此外,采用生物膜形式可以富集世代周期較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌,并提高多級(jí)A/O工藝抗沖擊能力,但是在低溫條件下應(yīng)用生物膜形式的多級(jí)A/O工藝面臨的瓶頸問(wèn)題之一是低溫導(dǎo)致微生物活性降低(尤其是硝化細(xì)菌的活性在低溫條件下更容易被抑制),進(jìn)而導(dǎo)致工藝硝化能力不足,嚴(yán)重影響工藝的脫氮效果.此外,低溫條件下微生物活性下降容易導(dǎo)致反應(yīng)器生物量降低,從而影響污染物去除效果,因此探究可以提高低溫下多級(jí)A/O工藝硝化能力的方法具有重要實(shí)際意義.

群體感應(yīng)(QS)是一種與細(xì)胞密度緊密相關(guān)的細(xì)胞交流方式,QS是指細(xì)菌向環(huán)境中分泌信號(hào)分子,當(dāng)環(huán)境中信號(hào)分子濃度到達(dá)一定閾值后即可激活下游目標(biāo)基因,從而調(diào)節(jié)細(xì)菌群體行為模式[2].N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯(AHLs)是由革蘭氏陰性菌分泌的一類(lèi)信號(hào)分子,AHLs可以影響胞外聚合物(EPS)的合成、調(diào)整菌群結(jié)構(gòu)、促進(jìn)生物膜形成等[3],從而影響反應(yīng)器處理效果.有關(guān)AHLs對(duì)生物膜的影響主要集中在生物膜形成階段[4].Tan等[5]發(fā)現(xiàn)在SBR反應(yīng)器中外源添加皮摩爾濃度(10-12nmol/L)的AHLs可以促進(jìn)復(fù)雜種群生物膜EPS合成,Hu等[6]研究發(fā)現(xiàn)在低溫(14℃)條件下向SBBR反應(yīng)器投加50nmol/L的AHLs混合物可以縮短生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間.然而污水廠中污染物的降解主要是靠成熟生物膜來(lái)完成的,但是有關(guān)群體感應(yīng)對(duì)成熟生物膜的影響方式尚不明確.Wang等[4]通過(guò)調(diào)查實(shí)際污水處理廠成熟生物膜信號(hào)分子含量,發(fā)現(xiàn)成熟生物膜AHLs濃度與溫度呈負(fù)相關(guān),與生物膜活性呈正相關(guān). Li等[7]發(fā)現(xiàn)AHLs類(lèi)信號(hào)分子可促進(jìn)微生物附著生長(zhǎng),從而促進(jìn)生物量增長(zhǎng).多級(jí)A/O工藝在低溫條件下存在微生物硝化能力不足、生物量下降等問(wèn)題.因此研究如何通過(guò)群體感應(yīng)提高低溫下多級(jí)A/O工藝好氧段生物膜硝化活性和生物附著能力對(duì)提高低溫條件下多級(jí)A/O工藝的污染物去除能力有重要意義.

本文研究對(duì)象為多級(jí)A/O工藝好氧區(qū)成熟生物膜.在低溫條件下通過(guò)外源添加不同種類(lèi)的AHLs類(lèi)信號(hào)分子,研究AHLs類(lèi)型對(duì)低溫條件下成熟生物膜附著能力、硝化活性的影響,并探索其影響機(jī)理,以期為提高低溫條件下多級(jí)A/O工藝的脫氮性能提供理論參考及技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 多級(jí)A/O反應(yīng)器

圖1 多級(jí)A/O反應(yīng)器

1.進(jìn)水泵;2.生活污水;3.A1室;4.O11室;5.O21室;6.A2室;7.O21室;8.O22室;9.A31室;10.O31室;11.O32室;12.二沉池;13.出水;14.硝化液回流;15.曝氣泵

多級(jí)A/O生物膜反應(yīng)器如圖1所示.反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃,長(zhǎng)×寬×高=90cm×60cm×60cm,有效水深50cm,有效體積270L.反應(yīng)器分9個(gè)隔室,以填充于琉璃球中的鮑爾環(huán)作為生物載體,反應(yīng)器載體填充率100%.反應(yīng)器好氧區(qū)采用曝氣盤(pán)曝氣,通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量,缺氧區(qū)采用潛水泵進(jìn)行攪拌,缺氧區(qū)體積:好氧區(qū)體積均為1:2.控制反應(yīng)器溫度為(10±1)℃.

1.2 多級(jí)A/O生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)及運(yùn)行工況

反應(yīng)器進(jìn)水為實(shí)際生活污水.接種污泥首先進(jìn)行悶曝活化,再將進(jìn)水量從20%起逐漸提高至100%,待污染物去除有一定效果后加入載體進(jìn)行掛膜并控制曝氣量,約48d后生物膜基本成熟,反應(yīng)器啟動(dòng)成功.反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期進(jìn)出水主要指標(biāo)和運(yùn)行工況如表1,反應(yīng)器穩(wěn)定在運(yùn)行時(shí)期硝化能力不足,氨氮去除率不足70%.

表1 多級(jí)A/O反應(yīng)器進(jìn)出水指標(biāo)及工況

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行

前期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器好氧區(qū)生物膜可分泌C4-HSL、C6-HSL、C7-HSL、C10-HSL和C12-HSL類(lèi)信號(hào)分子,故選用這幾種信號(hào)分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖2 批次實(shí)驗(yàn)裝置

1.轉(zhuǎn)子流量計(jì);2.曝氣盤(pán);3.止回閥;4.曝氣泵

批次實(shí)驗(yàn)裝置如圖2,SBR反應(yīng)器有效體積4L.將穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期的多級(jí)A/O生物膜反應(yīng)器一級(jí)好氧區(qū)填料取出,用自來(lái)水洗去表面基質(zhì)殘留后放入各SBR反應(yīng)器,填充率為50%,再注入模擬廢水4L,模擬廢水成分參考文獻(xiàn)[8].實(shí)驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組R0,進(jìn)水不添加AHLs;實(shí)驗(yàn)組R1、R2、R3、R4和R5,進(jìn)水分別添加100nmol/L的C4-HSL、C6-HSL、C7-HSL、C10-HSL和C12-HSL信號(hào)分子(sigma公司).

批次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行條件如下:水力停留時(shí)間(HRT) 12h,換水率100%,通過(guò)低溫槽控制溫度為10℃,每天測(cè)量進(jìn)出水氮素濃度,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20d后停止投加AHLs并維持原工況繼續(xù)運(yùn)行10d.

1.4 分析方法

每天收集進(jìn)出水樣品,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法[9]測(cè)定氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)和硝酸鹽氮(NO3--N)濃度,生物量測(cè)定參考文獻(xiàn)[10].所有數(shù)據(jù)均測(cè)量3次取平均值.

1.4.1 EPS提取和分析 采用熱提法分離總EPS[11],并做一些修正,具體步驟如下:首先用機(jī)械方法從填料上分離生物膜,在離心機(jī)(sigma)中4000r/min離心2min后倒掉上清液,加入PBS緩沖溶液至30mL,再放入60℃水浴箱水浴30min,之后將混合液在12000r/min下離心10min,用0.22μm微孔濾膜過(guò)濾上清液,濾后溶液即為總EPS.以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物,用蒽酮-硫酸法定量測(cè)量多糖.用改良Bradford法測(cè)定蛋白質(zhì).

1.4.2 三維熒光光譜分析(EEM) 采用熒光光譜儀(F-7000,日本日立)對(duì)胞外聚合物進(jìn)行熒光光譜(EEMs)分析.設(shè)置激發(fā)波長(zhǎng)(x)200～420nm,發(fā)射波長(zhǎng)(m)240～600nm,間隔分別為5和2nm,激發(fā)光和發(fā)射光的狹縫寬度均為5nm,掃描前用超純水作為空白樣消除背景噪音及拉曼散射.

1.4.3 AHLs提取和檢測(cè) 在第30d提取各反應(yīng)器生物膜中的AHLs.首先用機(jī)械方法剝離填料上的生物膜,然后4000r/min離心2min后除上清液,再將樣品重溶于20mL甲醇,在冰水浴中用20kHz,100W超聲處理20min以破碎細(xì)胞,再用0.22μm纖維素過(guò)濾器過(guò)濾,將濾后溶液在40℃氮?dú)鈼l件下干燥,最后重溶于400μL甲醇中.樣品在檢測(cè)前需于-20℃條件下保存,AHLs檢測(cè)方法參考文獻(xiàn)[12].

1.4.4 微生物種群分析 實(shí)驗(yàn)20d時(shí)收集各反應(yīng)器的生物膜樣品.樣品用PBS緩沖溶液洗滌3次后送往上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司,采用Illumina Miseq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序分析[13].

2 結(jié)果與討論

2.1 AHLs類(lèi)型對(duì)反應(yīng)器硝化效率的影響

a對(duì)照組;b添加C4-HSL;c添加C6-HSL;d添加C7-HSL;e添加C10-SHSL;f添加C12-HSL

僅在實(shí)驗(yàn)第1～20d添加AHLs類(lèi)信號(hào)分子,第20～30d則不再添加.結(jié)果如圖3所示,第20d時(shí)R2和R5出水氨氮分別為12.26和11.04mg/L,與對(duì)照組R0相比硝化效率分別提升22.34%和28.75%,表明低溫條件下C6-HSL和C12-HSL能顯著提高生物膜硝化效率.而R1、R3和R4出水氨氮濃度變化不明顯,說(shuō)明低溫下C4-HSL、C7-HSL和C10-HSL對(duì)生物膜硝化效率影響微弱.實(shí)驗(yàn)第20～30d期間未添加AHLs類(lèi)信號(hào)分子,但R2和R5的出水氨氮基本維持在10～15mg/L,說(shuō)明低溫(10℃)下投加C6- HSL和C12-HSL對(duì)反應(yīng)器硝化效率的提高作用具有長(zhǎng)期性.

2.2 AHLs類(lèi)型對(duì)生物膜硝化活性和生物附著量的影響

2.2.1 AHLs類(lèi)型對(duì)生物膜硝化活性的影響 如圖4,第20d時(shí)反應(yīng)器R2的生物膜硝化速率為54.74mgNH4+-N/(gVSS·d),與對(duì)照組R0相比上升17.56%,說(shuō)明C6-HSL顯著提高了生物膜硝化活性. C6-HSL側(cè)鏈較短,分子量較低而親水性較高,因此傳質(zhì)性能強(qiáng),能更有效刺激細(xì)胞活性,這是C6-HSL能提高R2硝化效率的重要原因.R4生物膜硝化速率為43.01mgNH4+-N/(gVSS·d),較R0下降7.63%,說(shuō)明C10-HSL對(duì)生物膜硝化活性有輕微抑制作用. R1、R3和R5的生物膜硝化速率則基本穩(wěn)定.雖然C4-HSL側(cè)鏈最短、分子量最低,但R1生物膜硝化速率無(wú)明顯變化,這可能是C4-HSL過(guò)低的分子量使得其在環(huán)境中更容易被降解,從而難以充分刺激細(xì)菌活性.實(shí)驗(yàn)前后R5生物膜硝化速率無(wú)明顯變化,但是C12-HSL可顯著提高生物膜生物量(圖5),從而提高R5的硝化效率.

圖4 反應(yīng)器第20d生物膜硝化速率

圖5 反應(yīng)器第20d生物量

2.2.2 AHLs類(lèi)型對(duì)生物膜附著量的影響 如圖5所示,與對(duì)照組R0相比,R5生物量提高了24.47%,表明低溫下C12-HSL可顯著增加生物膜生物量,這是R5硝化效率提高的重要原因.R3和R4的生物量分別提高了6.40%和7.99%,說(shuō)明C7-HSL和C10- HSL對(duì)生物膜生物量有輕微促進(jìn)作用.而R1和R2生物量變化較小,C4-HSL和C6-HSL對(duì)生物膜生物量的影響較微弱.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著投加AHLs側(cè)鏈長(zhǎng)度的增加,反應(yīng)器生物量大體呈上升趨勢(shì).Li等[7]在硝化污泥中投加不含側(cè)鏈基團(tuán)的AHLs時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著側(cè)鏈長(zhǎng)度增加,污泥的粘附性增長(zhǎng)越明顯.這與本研究結(jié)果基本一致.

2.3 AHLs類(lèi)型對(duì)生物膜微生物群落和EPS的影響

圖6 實(shí)驗(yàn)第20d時(shí)微生物屬水平豐度

2.3.1 AHLs類(lèi)型對(duì)生物膜微生物群落的影響 實(shí)驗(yàn)第20d時(shí)對(duì)各反應(yīng)器生物膜進(jìn)行高通量測(cè)序分析,如圖6所示,低溫下添加AHLs會(huì)顯著影響成熟生物膜的菌群結(jié)構(gòu):R2中屬于氨氧化細(xì)菌(AOB)的含量從0.10%上升至0.25%,說(shuō)明低溫下C6-HSL對(duì)AOB的富集效果最明顯,這是R2硝化活性提高的主要原因.R5中的含量上升至0.22%,說(shuō)明C12-HSL對(duì)AOB的富集也有一定促進(jìn)作用,而R1、R3和R4中含量變化較小,C4-HSL、C7-HSL和C10-HSL對(duì)AOB富集作用較微弱.這與反應(yīng)器的硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致(圖3).上述結(jié)果表明C6-HSL和C12-HSL可不同程度上促進(jìn)生物膜AOB的富集,從而提升硝化能力,而C4-HSL、C7-HSL和C10-HSL對(duì)生物膜AOB含量影響較輕微,因此,這3類(lèi)AHLs信號(hào)難以提高生物膜硝化能力.而作為市政污水中常見(jiàn)的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)[22],其在R1～R5中的含量與在R0中含量(0.24%)相比變化較小,說(shuō)明上述各類(lèi)信號(hào)分子對(duì)NOB的調(diào)控作用較微弱.

信號(hào)分子對(duì)反應(yīng)器主要菌種含量也有顯著影響.如表2所示,R1～R5生物膜中的、、含量較R0均有明顯上升. R5中含量上升至34.47%,變化最為顯著,這與反應(yīng)器生物量變化趨勢(shì)一致.原因可能為能夠分泌EPS來(lái)輔助細(xì)菌附著生長(zhǎng),其含量上升有助于提高膜生物量[23].R1～R4屬于異養(yǎng)硝化菌的[24]含量分別上升至11.23%、5.97%、5.79%和11.01%,的富集有助于提高反應(yīng)器硝化效果,但R5的含量?jī)H為0.46%,說(shuō)明C12-HSL對(duì)富集作用不明顯,其硝化效果的提升可能與其它硝化細(xì)菌有關(guān),這與馮惠[25]的發(fā)現(xiàn)一致.所有類(lèi)型信號(hào)分子均增加了含量,但該菌種并非群體感應(yīng)或群體猝滅細(xì)菌.一些研究認(rèn)為為一類(lèi)特殊細(xì)菌,這類(lèi)細(xì)菌雖然并沒(méi)有AHLs編碼基因但有l(wèi)ux-R編碼基因,所以能夠感應(yīng)AHLs類(lèi)信號(hào)分子而參與到群體感應(yīng)中,所以會(huì)對(duì)AHLs含量變化產(chǎn)生反應(yīng)[25-26].

表2 反應(yīng)器第20d生物膜部分細(xì)菌含量(%)

2.3.2 AHLs類(lèi)型對(duì)生物膜EPS的影響 EPS是生物膜重要特性之一,生物膜中的細(xì)菌通過(guò)分泌EPS來(lái)固定自身,EPS的含量及成分比對(duì)生物膜的物理特性和傳質(zhì)能力都有影響[8].第20d時(shí)測(cè)定各反應(yīng)器生物膜EPS含量,結(jié)果如圖7所示,與R0相比,R5生物膜EPS含量增加了56.97%,說(shuō)明低溫下C12-HSL可顯著促進(jìn)生物膜EPS含量.R2、R3和R4生物膜EPS含量分別增加了9.90%、15.65%和26.65%,說(shuō)明C6-HSL、C7-HSL和C10-HSL對(duì)生物膜EPS含量也有一定促進(jìn)作用.而R1的EPS含量下降了8.61%,說(shuō)明C4-HSL對(duì)生物膜EPS含量有一定抑制作用.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫下生物膜EPS含量會(huì)隨著投加AHLs側(cè)鏈長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增加.群體感應(yīng)可以促進(jìn)細(xì)菌分泌EPS從而粘連更多微生物,促使生物膜厚度增加[14-15].Wang等[16]也發(fā)現(xiàn)添加AHLs可以提高成熟生物膜中EPS的濃度.EPS的增加可提升成熟生物膜的生物量,但是,過(guò)厚的生物膜會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)效果變差,從而降低細(xì)胞活性[17],然而在本實(shí)驗(yàn)中,R5在生物量上升24.47%的前提下其生物膜硝化速率仍保持穩(wěn)定,C12-HSL對(duì)反應(yīng)器硝化效果提升作用最好.

EPS主要成分為多糖(PS)和蛋白質(zhì)(PN),兩者含量和比值對(duì)EPS性質(zhì)有很大影響.如圖7所示,與R0相比,R1中生物膜的PS和PN含量分別下降了19.75%和5.42%,說(shuō)明低溫下C4-HSL對(duì)生物膜EPS中的PN和PS含量有不同程度抑制作用.PN與EPS疏水性緊密相關(guān)[18],它可以調(diào)節(jié)EPS表面電荷并與PS通過(guò)共價(jià)鍵形成穩(wěn)定復(fù)合物,從而提高生物膜的穩(wěn)定性[19].PS是一種親水性高分子聚合物[8],其長(zhǎng)碳鏈骨架可提高EPS絮凝性,并充當(dāng)EPS中細(xì)胞其他組分的骨干.PN和PS的減少不利于細(xì)菌附著生長(zhǎng),這是投加C4-HSL后R1生物量下降的重要原因.而R5生物膜EPS中的PN含量上升了67.37%,PS含量基本穩(wěn)定,說(shuō)明低溫下C12-HSL可以大幅提高生物膜中PN的含量,從而促進(jìn)細(xì)胞附著生長(zhǎng),這是R5生物量比R0高24.47%的主要原因.R2～R4生物膜EPS中PN含量較R0分別上升了12.41%、18.77%和34.19%,說(shuō)明低溫下C6-HSL、C7-HSL和C10-HSL也能一定程度上提高EPS中PN含量,所以R2、R3和R4的生物量出現(xiàn)不同程度增加.

圖7 第20d反應(yīng)器生物膜EPS分析

a.對(duì)照組;b.添加C4-HSL;c.添加C6-HSL;d.添加C7-HSL;e.添加C10-SHSL;f.添加C12-HSL

波峰A、B分別代表酪氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)和類(lèi)色氨酸物質(zhì),屬于細(xì)胞代謝物[20].波峰C、D和E代表芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì),屬于細(xì)胞成分[21]

采用三維熒光(EEM)對(duì)EPS組分進(jìn)行進(jìn)一步分析.如圖8所示,與R0相比,R1的A峰基本穩(wěn)定,新出現(xiàn)E峰說(shuō)明其代謝活性變化不大但種群演替劇烈,結(jié)合R1硝化效果,說(shuō)明C4-HSL對(duì)生物膜的種群結(jié)構(gòu)影響大于細(xì)菌代謝活性影響.R2和R5的波峰B、C和D強(qiáng)度大幅增大,說(shuō)明投加C6-HSL和C12- HSL后生物膜細(xì)菌生命活性更旺盛,細(xì)胞更替劇烈.R5的A峰消失而R2的A峰存在,說(shuō)明C12-HSL對(duì)生物膜種群結(jié)構(gòu)影響大于C6-HSL.R3和R4的A峰變化不大而C、D峰均有小幅上升,說(shuō)明添加C7- HSL和C10-HSL后生物膜細(xì)胞代謝活性基本穩(wěn)定但更替水平略有上升.

2.4 AHLs類(lèi)型對(duì)內(nèi)源信號(hào)分子釋放的影響

實(shí)驗(yàn)第30d時(shí)測(cè)定R0～R5生物膜中AHLs含量,結(jié)果如圖9所示:添加C4-HSL、C6-HSL、C7-HSL、C10-HSL和C12-HSL后R1～R5的該類(lèi)AHLs濃度分別比R0高9.45,36.73,26.35,40.73和39.80ng/g,而其它類(lèi)型AHLs濃度基本穩(wěn)定.這表明外源添加AHLs對(duì)生物膜AHLs的內(nèi)源釋放影響具有長(zhǎng)期性,這是停止添加AHLs后反應(yīng)器硝化效果還能持續(xù)維持的主要原因.低溫條件下添加上述幾類(lèi)AHLs均能持續(xù)促進(jìn)生物膜分泌對(duì)應(yīng)種類(lèi)信號(hào)分子,其中C10-HSL、C12-HSL、C6-HSL和C7-HSL促進(jìn)作用較大,而C4-HSL促進(jìn)作用較小,這可能是因?yàn)镃4-HSL在多菌種復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定性不如其它信號(hào)分子,從而難以充分刺激細(xì)菌分泌C4-HSL.添加C4-HSL后R1生物膜EPS濃度下降了8.61%,AOB豐度和硝化效果變化均不明顯,說(shuō)明C4-HSL對(duì)低溫下生物膜硝化能力影響微弱,不具備實(shí)際工程價(jià)值.

圖9 第20d反應(yīng)器生物膜AHLs濃度

3 結(jié)論

3.1 低溫下外源投加合適類(lèi)型的AHLs可促進(jìn)成熟生物膜的硝化效果,其中C6-HSL主要通過(guò)提升生物膜硝化活性(17.56%)來(lái)實(shí)現(xiàn),C12-HSL主要通過(guò)增加生物量(24.47%)來(lái)實(shí)現(xiàn).

3.2 低溫下外源添加合適類(lèi)型的AHLs可通過(guò)增加EPS中的蛋白質(zhì)含量來(lái)提升生物膜附著性能,其中C12-HSL對(duì)EPS中蛋白質(zhì)含量促進(jìn)作用最明顯,可將蛋白質(zhì)含量提升67.37%.

3.3 低溫下外源添加C6-HSL、C7-HSL、C10-HSL和C12-HSL可長(zhǎng)期促進(jìn)生物膜分泌對(duì)應(yīng)AHLs,從而對(duì)反應(yīng)器硝化性能產(chǎn)生持久影響.

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Effects of AHLs at low temperature on the characteristics of mature biofilms in aerobic zone of multi-stage A/O technology.

ZHOU Rong-xuan1, MA Xiao-ran1, LI Jun1*, ZHANG Lin-Hua2, ZHANG Jing1, ZHANG Ya-chao1, HAN Hao1,

(1.Faculty of Urban Construction of Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.Beijing Zhibao Information Technology Co, Ltd, Beijing 102600, China)., 2021,41(5)：2311～2140

Aiming at the problem that the ammonia nitrogen in the effluent of the multi-stage A/O technology is likely to exceed the standard under low temperature conditions, the effect of exogenous addition of acyl homoserine lactone signal molecules (AHLs) on the characteristics of the biofilm in the aerobic zone of the multi-stage A/O technology at low temperature was studied. Results showed that the addition of 100nmol/L hexanoyl homoserine lactone (C6-HSL) increased the biofilm nitrification efficiency by 22.34%, and lauryl homoserine lactone (C12-HSL) increased the amount of attachment biomass by 24.47%, both C6-HSL and C12-HSL had long-term effects on the nitrification efficiency and biological adhesion of biofilm. This was because C6-HSL can increase the aerobic biofilm nitrification activity by 17.56% at low temperature, while C12-HSL could increase the content of protein (PN) in EPS by 67.37%. In addition, both C6-HSL and C12-HSL could promote the endogenous release of the same signal, thus having a long-term positive impact on the nitrification activity and adhesion performance of biofilm. The high-throughput sequencing analysis showed that C6-HSL can increase the abundance of, and thus enhancing the nitrification activity of biofilm in R2; while the addition of C12-HSL had a greater impact on the abundance ofwhich was an important reason for the increase of PN content in EPS of R5 biofilm.

multi-stage A/O technology；biofilm；low temperature；quorum sensing

X703 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1000-6923(2021)05-2133-08

周榮煊(1995-),男,四川雅安人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝研究.

2020-09-08

水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2018ZX07701001-25)

* 責(zé)任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn