84消毒劑對活性污泥降酚效能的影響

楊春鈺，李洪欣，相金汛，武井昕，時勝男

(遼寧師范大學 生命科學學院，遼寧 大連 116081)

0 引 言

面對突如其來的新冠肺炎疫情，全國人民上下一心共同奮戰，國內疫情已得到基本控制。在本次抗擊疫情的過程中，預防性消毒工作被公眾廣泛重視。開展預防性消毒可以切斷病毒的傳播，含氯消毒劑因其能切斷病源傳播的特性而被廣泛應用，尤其是84消毒劑。這些含氯消毒劑不可避免的通過生活污水和工業廢水流入污水處理廠，導致污水中余氯含量大幅提高。眾所周知，余氯主要包括氯氣、次氯酸、次氯酸鹽離子以及游離的次氯酸單體，具有改變微生物細胞膜通透性的作用，并能進入微生物細胞質中使蛋白質變性，破壞微生物的酶系統，從而起到抑制微生物生長或殺死微生物的作用[1]。因此，含氯消毒劑的大量使用對活性污泥處理效能是否產生影響成為研究的熱點問題。

84消毒劑的主要成分為次氯酸鈉。李渭印等以次氯酸鈉為消毒劑，考察其對活性污泥降解性能的影響，當次氯酸鈉濃度為0.5 mg/L時，對活性污泥的活性基本沒有影響，但當次氯酸鈉濃度為0.5～3 mg/L時，則會抑制活性污泥對氨氮的降解[2]。陳琳風等探究了高濃度次氯酸鈉對活性污泥系統中微生物的影響，結果表明當次氯酸鈉濃度為15 mg/L時，能顯著殺滅亞硝酸鹽氧化菌，進而抑制硝化和反硝化活性，并且胞外聚合物(EPS)總含量降低了15.48%[3]。以上研究表明，一定濃度的84消毒劑會抑制活性污泥的活性，但關于其對活性污泥效能的影響，缺乏系統的研究，同時84消毒劑的濃度閾值未見報道。

本研究以SBR體系為對象，系統考察了不同濃度的84消毒劑對活性污泥處理含酚廢水效能的影響，確定濃度閾值，并通過毒理學特性分析及胞外聚合物(EPS)結構與功能分析，揭示了84消毒液的毒性機制。

1 材料與方法

1.1 污泥來源及進水水質

反應器活性污泥(AS)取自大連市春柳河污水處理廠二沉池。本實驗廢水為人工配制污水，進水水質為：(NH4)2SO42.0 g/L，KH2PO42.0 g/L，Na2HPO43.3 g/L，苯酚濃度為600 mg/L，水質指標COD理論值為1 563 mg/L。84消毒劑有效氯含量為4%～6%。

1.2 反應體系的構建及運行參數

取6個干凈的錐形瓶(250 mL)，分別加入100 mL的泥水混合物以構建批式搖瓶實驗，混合液懸浮固體濃度(MLSS)為4.5 g/L，污泥沉降比(SV30)為21%，污泥體積指數(SVI)為46.7 mL/g。根據投加的84消毒劑(有效氯)濃度將搖瓶分別命名為C1體系(0)、C2體系(1 mg/L)、C3體系(2 mg/L)、C4體系(3 mg/L)、C5體系(4 mg/L)和C6體系(5 mg/L)，將各搖瓶置于30 ℃，150 r/min的搖床中進行培養。在反應體系運行24 h內，每隔2 h取樣測定苯酚降解效率，在運行到24 h時測定各體系中相關酶活性、ATP、ROS、LDH及EPS含量。

1.3 分析方法

1.3.1 苯酚降解率的測定

使用METASH UV-5800紫外-可見分光光度計(中國，上海)在苯酚特征峰吸收峰269 nm下進行測定。

1.3.2 脫氫酶(DHA)活性的測定

采用TTC-脫氫酶活性法進行測定[4]。

1.3.3 苯酚羥化酶(PHO)和鄰苯二酚2,3-雙加氧酶(C23O)活性的檢測

C23O和PHO活性測定參照文獻[5]。

1.3.4 ATP含量的檢測

采用ATP含量檢測試劑盒，并按照說明書進行ATP含量的檢測。

1.3.5 ROS和LDH的檢測

采用ROS檢測試劑盒檢測細胞內ROS的產生。采用LDH檢測試劑盒按照說明書檢測體系內LDH的釋放。

1.3.6 EPS相關測定

蛋白質濃度和多糖濃度分別采用考馬斯亮藍法和蒽酮-濃硫酸法[6]。

1.3.7 3D-EEM表征

熒光光譜儀的掃描條件如下：激發波長(Ex)范圍為240～480 nm，發射波長(Em)范圍250～580 nm，夾縫均為10 nm，掃描速度為2 400 nm/min。

2 結果與討論

2.1 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中苯酚降解效率的影響

各活性污泥體系中苯酚的降解情況如圖1所示，C3體系的苯酚降解效率在8 h內達到了100.0%，均高于C1體系(96.2%)、C2體系(98.2%)、C4體系(95.4%)、C5體系(92.6%)和C6體系(88.9%)。從圖1中可以看出，在反應運行8 h內，C1、C2和C3的苯酚降解效率隨84消毒劑濃度的增大而增大，C4、C5和C6中的苯酚降解效率隨84消毒劑濃度的增大而降低。該結果表明低濃度的84消毒劑(小于2 mg/L)對SBR體系中苯酚的降解有促進的作用，而高濃度的84消毒劑(大于2 mg/L)則會抑制活性污泥體系中苯酚的降解。有研究表明強氧化劑能夠將苯酚氧化為易被微生物降解的物質，促進微生物對苯酚的降解[7]。

圖1 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中苯酚降解率的影響Fig.1 The effects of different concentrations of 84 disinfectanton the degradation rate of phenol in the SBR system

因此，當84消毒劑濃度小于2 mg/L時，會促進苯酚廢水的降解，可能歸因于84消毒劑將苯酚氧化為易被微生物降解的物質，進而促進苯酚降解效率的提高。當84消毒劑濃度大于2 mg/L時，可能由于其生物毒性大于其促進效果，進而抑制苯酚廢水的降解。

2.2 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中DHA活性和ATP含量的影響

TCA循環和氧化磷酸化是生物化學的基本過程，通過這兩個過程，微生物可以在有氧的條件下對有機化合物進行代謝分解，所以可以利用DHA活性和ATP含量來表達微生物的生物降解能力[9-10]。如圖2(a)所示，以C1體系中DHA的活性為100.0%，C2和C3體系中DHA活性隨84消毒劑濃度的增大而增大，而C4、C5和C6體系中DHA活性隨84消毒劑濃度的升高而降低，即C3體系最高(108.0%),其次是C2體系(103.4%)、C4體系(99.0%)和C5體系(95.5%)，C6體系中DHA的活性最低(89.0%)。以上結果表明，當84消毒劑濃度小于2 mg/L時，84消毒劑對活性污泥DHA活性具有促進作用，從而提升活性污泥體系中苯酚的降解效率；當84消毒劑濃度大于2 mg/L 時，84消毒劑對活性污泥體系中DHA的活性起抑制作用，導致活性污泥體系中苯酚的降解效率逐漸降低。

如圖2(b)所示，各體系中ATP含量的變化與DHA活性的變化趨勢一致。以C1體系中的ATP含量為100.0%，C2和C3體系中ATP含量隨84消毒劑濃度的升高而升高，而C4、C5和C6體系中ATP含量隨84消毒劑濃度的升高而降低，即C3體系最高(109.2%)，其次是C2體系(104.3%)、C4體系(96.6%)、C5體系(88.1%)，C6體系中ATP的含量最低(75.6%)。以上結果表明，當84消毒劑濃度小于2 mg/L時，84消毒劑對活性污泥中ATP的產生具有促進作用，進而促進苯酚的降解；而當84消毒劑濃度大于2 mg/L時，84消毒劑活性污泥體系中ATP含量逐漸降低，進而抑制苯酚的降解。

圖2 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中DHA活性和ATP含量的影響Fig.2 The effects of different concentrations of 84 disinfectant on DHA activity and ATP content in the SBR system

2.3 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中PHO和C23O活性的影響

微生物對苯酚的降解途徑需要兩個關鍵酶PHO和C23O，因此本研究通過檢測兩者的活性來表達微生物對苯酚的降解能力[8]。各體系PHO活性的變化情況如圖3(a)所示，以對照組(C1體系)為100%，C2和C3體系中的PHO活性隨84消毒劑濃度的升高而升高，從100.0%提高至111.4%，而C4、C5和C6體系中的PHO活性隨84消毒劑濃度的升高而降低，從111.4%降低至74.4%。

從圖3(b)中可以看出，各體系中C23O活性的變化與PHO活性的變化趨勢一致。C2和C3體系中的C23O活性隨84消毒劑濃度的增大而增大，從100.0%提高至109.1%。而C4、C5和C6體系中的C23O活性隨84消毒劑濃度的升高而降低，從109.1%降低至77.0%。以上結果說明，低濃度的84消毒劑(小于2 mg/L)對活性污泥PHO和C23O活性有促進作用，而對于高濃度的84消毒劑(大于2 mg/L)，其毒性作用會使活性污泥體系中PHO和C23O的活性降低，進而對體系中苯酚的降解效率起到抑制作用。

圖3 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中PHO和C23O活性的影響Fig.3 The effects of different concentrations of 84 disinfectant on the activities of PHO and C23O in the SBR system

2.4 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中ROS產生和LDH釋放的影響

正常情況下，微生物細胞內ROS的含量較低，容易被中和。然而，當微生物受到外部刺激時，便會產生大量的ROS，如果ROS在細胞中大量累積，會促使微生物細胞因發生氧化應激反應而使得細胞結構受到嚴重氧化損傷[11-12]。ROS還可能攻擊細胞質膜上的不飽和磷脂，導致脂質過氧化而損傷細胞膜。除此之外，胞內ROS大量積累會損傷單鏈DNA，進而影響微生物合成核酸、蛋白質等生理生化反應的正常運行[13]。如圖4(a)所示，以C1體系中的ROS含量為100.0%，在C1、C2和C3體系中ROS含量無明顯變化(均為100.0%)，說明84消毒劑濃度小于2 mg/L時未引起微生物細胞內的氧化應激反應，未對微生物細胞產生毒害；而C4、C5和C6體系中ROS含量隨84消毒劑濃度的升高而升高(C4：103.6%、C5：119.6%、C6：188.9%)，尤其C6體系中ROS含量急劇升高至188.9%，說明高濃度的84消毒劑(大于2 mg/L)會引起微生物細胞內的氧化應激反應，對活性污泥體系中微生物細胞產生毒害作用，進而影響活性污泥體系的生理功能及理化性質。

圖4 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中ROS產生和LDH釋放的影響Fig.4 The effects of different concentrations of 84 disinfectant on ROS production and LDH release in the SBR system

LDH是一種胞內酶，既可以用LDH來反映微生物細胞膜的完整情況，也可以用其表達微生物細胞的毒性情況[14]，因此，本研究分別檢測各反應體系中LDH的釋放量。如圖4(b)所示，以C1體系中的LDH釋放量為100.0%，C1、C2和C3體系LDH釋放量無明顯變化(均為100.0%)，說明84消毒劑濃度小于2 mg/L時未對微生物細胞膜造成破壞，對微生物細胞幾乎沒有毒性；C4、C5、C6體系中LDH釋放量隨84消毒劑濃度的升高而升高(C4：106.0%、C5：124.0%、C6：181.0%)，尤其C6體系中LDH釋放量急劇升高，達到181.0%，說明高濃度的84消毒劑(大于2 mg/L)會破壞微生物細胞膜，導致LDH的釋放，進而對活性污泥體系的生理功能及理化性質產生影響。

2.5 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中EPS含量的影響

EPS是一種有機高分子聚合物，其主要成分為蛋白質(PN)和多糖(PS)。當外界有毒有害物質刺激微生物細胞時，微生物分泌的EPS會包裹在細胞外起保護作用[15]。因此，本研究分別檢測不同濃度84消毒劑投加后EPS的含量。各體系的EPS中PN和PS含量如圖5所示，C3體系中的PN和PS含量最低(PN：99.9 mg/L，PS：187.9 mg/L)，其次是C2體系(PN：112.4 mg/L，PS：196.6 mg/L)、C3體系(PN：113.9 mg/L，PS：199.1 mg/L)、C4體系(PN：114.3 mg/L，PS：203.5 mg/L)、C5體系(PN：127.8 mg/L，PS：209.8 mg/L)和C6體系(PN：160.6 mg/L，PS：274.8 mg/L)。綜上所述，當84消毒劑濃度小于2 mg/L時，EPS中PN和PS含量隨84消毒劑濃度的升高而降低，有研究表明EPS中PN和PS的合成與ATP有關[16]。因此，推測EPS含量下降的原因可能是低濃度84消毒劑(小于2 mg/L)增加了活性污泥的代謝活性，促使蛋白質和多糖被活性污泥利用，進而降低EPS含量[17]；而當84消毒劑濃度大于2 mg/L 時，EPS中PN和PS含量隨著84消毒劑濃度的升高而增多，說明高濃度的84消毒液(大于2 mg/L)會對活性污泥中的微生物細胞產生毒害作用，從而刺激微生物釋放更多的EPS來保護自身細胞，以減輕84消毒劑的毒害作用。

圖5 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中EPS中蛋白質和多糖含量的影響Fig.5 The effects of different concentrations of 84 disinfectant on the contents of PN and PS in EPS in the SBR system

2.6 不同濃度的84消毒劑對SBR體系中EPS結構的影響

本研究利用3D-EEM光譜法進一步分析了不同濃度的84消毒劑對EPS中有機成分的影響。如圖6所示，各SBR體系中EPS均有兩個顯著特征熒光峰A(Ex/Em=295/350 nm)和B(Ex/Em=350/450 nm)，熒光峰A代表溶解性微生物代謝蛋白物質，熒光峰B代表腐殖酸類物質。在低濃度84消毒劑(小于2 mg/L)條件下，熒光峰A和B的熒光強度與84消毒劑濃度成反比例關系；相反，在高濃度84消毒劑(大于2 mg/L)條件下，熒光峰A和B的熒光強度與84消毒劑濃度成正比例關系。結果表明，低濃度84消毒劑(小于2 mg/L)會使類蛋白物質和腐殖酸類物質的含量降低，然而高濃度84消毒劑(大于2 mg/L)則起到相反的效果。該結果與上述2.5中所述的EPS中PN和PS含量分析結果一致。

圖6 各反應體系中EPS的三維熒光光譜圖Fig.6 Three-dimensional fluorescence spectra of EPS in each reaction system

3 結 論

(1)苯酚降解效率表明：當84消毒劑的濃度小于2 mg/L時，84消毒劑可促進SBR體系中的苯酚降解，其主要歸因于低濃度的84消毒劑會促進DHA、苯酚降解酶活性及ATP的產生；當84消毒劑的濃度大于2 mg/L時，則抑制了苯酚的降解。綜上，說明84消毒劑的最佳濃度閾值為2 mg/L。

(2)ROS和LDH含量檢測表明：當84消毒劑的濃度小于2 mg/L時未對微生物細胞產生毒害作用，而高濃度的84消毒劑(大于2 mg/L)會對微生物細胞產生毒害作用，導致細胞膜破裂，大量的LDH釋放到活性污泥體系中，進而影響SBR體系的生理功能及理化性質。

(3)EPS的含量分析表明：當84消毒劑的濃度小于2 mg/L時，EPS中PN和PS含量隨84消毒液濃度升高而降低；當84消毒劑的濃度大于2 mg/L 時，EPS中PN和PS含量逐漸升高。3D-EEM分析表明：84消毒劑的濃度小于2 mg/L時，體系中類蛋白質和腐殖酸類物質的含量降低，而高濃度的84消毒劑(大于2 mg/L)則起到相反的作用。上述結果進一步說明2 mg/L為84消毒劑的最佳濃度閾值。