焦化廢水對菌藻顆粒污泥的微生物群落及代謝基因的影響

黃雪穎，陳 威，王 旭，余 哲，柯新語，王家樂

(武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430081)

0 引言

近年來，好氧顆粒污泥被證明在處理焦化廢水上有巨大潛力[9]。但好氧顆粒污泥需要高曝氣量，還會增大污水廠能耗。微藻可以將O2提供給異養好氧細菌，進而促進有機污染物的降解，并將細菌呼吸釋放的CO2用于自身的生長[10]。在此基礎上，文獻[11]采用一種低曝氣式的菌藻顆粒污泥系統(microalgae bacteria granular sluge,MBGS)用于污水處理中。文獻[12]基于序批式懸浮生物膜反應器建立了一種菌藻共生體系，去除生活污水中的氮和磷，該系統對總氮的去除率為 69.91%，有良好的脫氮效果。文獻[13-14]研究了MBGS對市政和養殖廢水的去除情況，均取得了良好的效果。但對MBGS處理毒性焦化廢水的研究仍很少。因此，對于利用MBGS低能耗、高效地處理焦化廢水的研究是有意義的。

本文主要研究序批式反應器(sequencing batch reatcor,SBR)中MBGS對焦化廢水處理的運行效能，并采用分子生物學手段對菌藻顆粒污泥中微生物的16S核糖體脫氧核糖核酸(ribosomal deoxyribonucleic acid,rDNA)基因進行聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)擴增，并構建基因文庫,分析其細菌群落結構和多樣性，并應用宏基因組學對微生物的代謝功能進行分析，探究MBGS焦化廢水中污染物去除機理。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行

采用SBR接種已經培養成熟并長期穩定的MBGS[13]，試驗用水采用焦化廢水。反應器有效容積為2.5 L，接種污泥質量濃度(mixed liquor volatile suspended solid,MLVSS)為1 000 mg/L。反應器設有機械攪拌裝置，攪拌強度為175 r/min。反應器外側設有燈帶，提供光照，光照強度為1 000 Lux，光照時間與曝氣時間一致。曝氣采用鼓風曝氣，曝氣周期4 h，曝氣量3 min/L，好氧段溶解氧(dissolved oxygen,DO)為7.5～7.8 mg/L,厭氧段DO為0.2～0.8 mg/L。反應器運行方式為A/O，進水5 min，排水5 min，其中厭氧段4 h，好氧段4 h，水力停留8 h，無污泥排放。本試驗不額外投加碳源，投加碳酸氫鈉維持反應器中pH為7.0～8.0。投加的菌藻顆粒污泥的平均粒徑為0.3 mm。

表1 進水具體參數 mg/L

本試驗用水取自湖北省咸寧市某煉鋼廠調節池，配水質量濃度與該煉鋼廠一級生化池內水質相同，其進水具體參數如表1所示。

1.2 分析方法

2 結果與討論

(a) 硝氮進出水曲線圖 (b) 亞硝氮進出水曲線圖

3 微生物群落結構分析

3.1 生物豐富度和多樣性

圖2 微生物Alpha多樣性指數

圖2為微生物Alpha多樣性指數。Ace指數和Chao指數是描述群落豐富度的指標，其數量越高，代表更多的細菌豐富度。Shannon指數和Simpson指數是呈現細菌多樣性的指標，Shannon指數越高多樣性越高，而Simpson指數越高多樣性越少[17]。圖2中，稀疏曲線說明測序深度足夠；Ace指數和Chao指數曲線逐漸趨向平緩，說明MBGS中有較高的微生物豐富度；Simpson指數和Shannon指數曲線逐漸趨向平緩，說明MBGS有較為多樣的微生物群落。

由此說明，在焦化廢水處理過程中，菌藻顆粒污泥保持較高的微生物豐度與菌屬多樣性，證實了微生物具有抵御環境波動的能力。

3.2 物種群落組成分析

樣品中陶厄氏菌屬(Thauera, 28.47%)為優勢菌屬，其次是黃桿菌屬(Flavobacterium，25.01%)、短波單胞菌屬(Brevundimonas，6.38%)、叢毛單胞菌屬(Comamonas，5.96%)、動膠菌屬(Zoogloea，5.66%)、奇球菌屬(Dechloromanas，2.26%)和異常球菌屬(Deinococcus,2.08%)等。

根據文獻[17-21]，以上菌屬皆有反硝化功能，而其中有些菌屬還有降解有毒物質的功能。因此MBGS對焦化廢水有良好的COD與氨氮去除功能。Thauera可利用有機碳源作為生長基質，促進苯酚、芳烴類物質的去除[17]。Flavobacterium可以降解萘、芘和其他種類的多環芳烴[19, 22]。Brevundimonas和Comamonas被歸因于有氧化學異養和芳香化合物降解功能細菌[23-24]。Zoogloea具有降解多種復雜有機物的能力[20]。

4 污染物降解機理

圖3 焦化廢水中苯酚的代謝途徑[25]

微生物降解主要作用基因為ligA[25]。圖3為焦化廢水中苯酚的代謝途徑。在MBGS中，基因ligA與Thauera、Flavobacterium、Brevundimonas、Comamonas相關。這些細菌在ligA所對應的酶的催化作用下，將多環芳烴中的苯環開環，變成易降解有機物，因此易降解有機物被生物利用，進行代謝。

5 氮循環代謝途徑

與文獻[31]中MBGS去除焦化廢水的結果對比發現，硝化作用中的關鍵步驟氨單加氧酶Amo和羥胺氧化酶Hao在本次試驗樣品中均未被檢測到，說明本試驗的氮去除不是通過傳統的硝化與反硝化。這是因為文獻[32]的廢水中不含生物抑制作用的H2S和KSCN，所以對氮通路影響不大。

另外，分析發現焦化廢水中的硝基烷烴(nitroalkane)也參與了氮的代謝。Nitroalkane在酶1.13.12.16作用下被氧化為亞硝酸鹽[32]。

通過以上分析可知，MBGS有著優秀的抗生物抑制性，能夠有效地處理焦化廢水，是一種有應用前景的污水處理方法。

圖4 通過KEGG注釋的脫氮途徑

6 結論

(1)該體系的COD、氨氮和TIN的平均去除率分別為 74.01%、79.97%和57.39%，說明菌藻顆粒污泥對焦化廢水進行了有效降解。

(2)經高通量測序分析， MBGS保持較高的微生物豐富度與多樣性，能夠抵御環境的波動，Thauera和Flavobacterium為優勢菌種。

(3)通過宏基因組學分析發現開環基因ligA豐富度很高。

(4)菌藻顆粒污泥在處理焦化廢水時，主要的脫氮途徑是異化硝酸鹽還原作用和氨的解毒代謝。