復合碳源填料反硝化脫氮及微生物群落特性

趙文莉，郝瑞霞，王潤眾，杜 鵬（.北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京0024；2.北京桑德環境工程有限公司，北京 0008）

復合碳源填料反硝化脫氮及微生物群落特性

趙文莉1，2，郝瑞霞1*，王潤眾1，杜 鵬1（1.北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京100124；2.北京桑德環境工程有限公司，北京 100081）

為探討低碳氮比污水廠尾水的深度脫氮技術，以堿處理玉米芯、零價鐵和活性炭組成的復合碳源作為填料，考察反硝化生物脫氮濾柱的運行效果，并借助Miseq高通量測序技術對濾柱生物膜的微生物群落組成和結構進行解析.結果表明，復合碳源填料進行反硝化脫氮時，能有效的被微生物利用并獲得較高的TN去除率.在溫度為28℃左右，反硝化濾柱進水濃度為20～30mg/L、HRT=7.7h時，TN去除率可達到95%以上，出水TOC在15mg/L左右；微生物在屬水平進行聚類分析結果表明，生物膜中與反硝化作用有關的菌屬和與纖維素降解有關的菌屬分別占已知菌屬的40.35%和29.04%.因此，污泥中反硝化作用菌屬和纖維素降解有關的菌屬的大量存在，為復合碳源填料高效反硝化作用提供了可能.

復合碳源填料；反硝化脫氮；Miseq高通量測序；微生物群落特性

生物反硝化分為異養型和自養型2種，其中自養型通常以H2或硫單質為電子供體，而異養反硝化需要添加有機碳源作為反硝化微生物生長繁殖的營養源.對于低C/N再生水反硝化生物脫氮常需外加碳源，常規的做法是投加甲醇、乙醇等溶解性碳源［1-2］，這類碳源易溶于水，反應快，但投加量不易控制，容易造成二次污染.

目前已有不少研究者采用固體碳源［3-8］，如玉米芯、棉花、稻桿和竹絲等，這類碳源能避免連續投加，節省成本，簡化操作，但卻存在反硝化速率低、出水色度高等問題.趙文莉等［9］在預處理方法對玉米芯作為反硝化固體碳源影響研究中發現，堿處理玉米芯的碳源釋放量和處理程度最為適宜，有利于反硝化微生物的降解和利用，在運行的41d中，脫氮效率始終維持在90%以上；Rocca等［10］以Fe0和棉花聯合去除硝酸鹽時發現，Fe0和棉花同時存在時出水中硝酸鹽濃度最低，氨氮濃度低于國家標準，但反硝化后期反應器內出現填料層堵塞現象.李斌等［3］在玉米芯與海綿鐵復合填料反硝化脫氮特性研究中，也發現復合填料反硝化效果優于單純玉米芯填料，但也存在填料層堵塞、出水色度高等問題.可見將生物、化學方法聯合，發揮各自的優勢，對硝酸鹽去除有積極的作用，但針對生物、化學聯合法中填料層堵塞、出水色度高等問題開發新型復合填料的研究卻未見報道.

近年來，越來越多的分子生物學手段被用來研究污水處理過程中微生物群落結構特性，如變性梯度凝膠電泳、克隆文庫和高通量測序等.Miseq高通量測序技術以Illumina的邊合成邊測序技術為基礎，通過可逆終止試劑方法對數百萬個片段同時進行大規模平行測序，具有分析結果準確、高速等特點，被廣泛應用于污水處理過程中微生物群落結構和多樣性研究［11-14］.

本研究將活性炭與鐵絲、堿處理玉米芯同時填充到聚乙烯球中，作為反硝化濾池的復合碳源填料，以期解決生物、化學反硝化聯合法在出水色度高、填料易堵塞等方面的問題，并結合反硝化濾池運行情況及出水水質，利用Miseq高通量測序技術對反硝化濾池中微生物結構進行分析，考察復合碳源填料脫氮及微生物特性.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

將蒸煮后玉米芯洗凈，切成體積約為1cm3的塊狀，放在80℃的干燥箱中烘干后，放入1.5%NaOH中浸泡18h，洗凈，中和，干燥備用.零價鐵為市售鐵絲球，活性炭為直徑在2～4mm的果殼活性炭，直徑80mm的聚乙烯懸浮球.

1.2 試驗裝置及用水

試驗DN柱采用有機玻璃制成，內徑為200mm，高為1500mm，底部設有穿孔板，起到承托濾料及均勻配水的作用.柱中填充57個直徑為80mm的聚乙烯懸浮球，每個懸浮球中填充36g復合碳源填料，復合碳源填料中（堿預處理玉米芯）：（活性炭+鐵絲）=5：1.動態試驗用水模擬污水廠二級出水最不利水質，由自來水中加入KNO3和KH2PO4，保持C ：N：P=0：5：1，并加入微量元素溶液配制而成.試驗進水方式為上向流.

復合碳源填料反硝化脫氮生物濾柱（DN）如圖1所示.

圖1 復合碳源填料反硝化脫氮生物濾柱示意Fig.1 Schematic layout of denitrification system of composite carbon filler

1.3 試驗方法及樣品采集

DN柱采用接種掛膜法啟動，接種污泥來自北京某污水廠回流污泥，接種前用含一定濃度硝酸鉀的生活污水富集培養反硝化細菌.DN柱運行159d，期間環境溫度為28℃左右，pH=7.5～8.0，監測運行期間DN柱進出水的TOC、TN、、、及pH值，并在DN柱運行穩定至150d時，采集玉米芯表面的生物膜樣品，在-20℃低溫冰箱中保存.考察復合碳源填料反硝化生物脫氮工藝的特性及微生物多樣性.

1.4 分析指標與方法

1.4．1 常規指標分析 表1列出了常規分析的方法及其所需儀器.

1.4．2 微生物多樣性的測定 DNA的提取與PCR的擴增：采用試劑盒法，按照Ezup柱式基因組DNA抽取試劑盒說明書提供的操作步驟提取.提取的DNA用1%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測.PCR的擴增區域為16S rRNA的V3+V4區，其中16S rRNA 的引物名稱及引物序列分別為：338F：ACTCCTACGGGAGGCAGCA（測序端）；806R：GGACTACHVGGGTWTCTAAT.PCR采用 TransGen AP221-02：TransStart Fastpfu DNA Polymerase，20μL 反應體系：5×FastPfu Buffer，4μL；2.5mM dNTPs，2μL；Forward Primer（5μmol/L），0.8μL；Reverse Primer （5μmol/ L），0.8μL； FastPfu Polymerase 0.4μL；Template DNA，10ng；補充ddH2O20μL用ABI GeneAmp? 9700型擴增儀擴增，反應程序：先95℃預變性3min；然后進行27個循環（95℃變性30s，55℃退火30s，72℃延伸45s），最后72℃延伸10min.用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN 公司）切膠回收PCR產物，經Tris-HCl 洗脫后，用2%瓊脂糖電泳檢測.根據電泳初步定量結果，將 PCR產物用QuantiFlourTM-ST藍色熒光定量系統（Promega公司）進行檢測定量，之后按照樣品的測序量要求，進行相應比例的混合.

表1 常規分析項目及其所需儀器與方法Table 1 Analysis apparatus and methods

Miseq 文庫構建與測序：用高通量測序平臺Illumina Miseq 對擴增產物進Miseq高通量測序.Miseq測序得到的PE reads首先根據overlap關系進行拼接，同時對序列質量進行質控和過濾，區分樣本后進行OTU聚類分析和物種分類學分析.

生物多樣性與分類學分析：首先將序列按照彼此的相似性歸為操作分類單元（OTU）.按照97%相似性對非重復序列（不含單序列）進行OTU聚類，采用 RDP classifier 貝葉斯算法對97%相似水平的 OTU 代表序列進行分類學分析，并分別在各個分類水平：domain（域），kingdom（界），phylum（門），class（綱），order（目），family（科），ge nus（屬），species（種）統計各樣本的群落組成.

2 結果與分析

2.1 氮去除效果及出水TOC

從圖2中可知，掛膜階段初期，氮去除率較高，可達到100%，這是由于玉米芯表面的可溶性碳源被微生物利用，碳源充足；隨后氮去除率逐漸下降穩定至75%左右，出水TOC也由之前的逐漸降低變為穩定的趨勢，預示著微生物開始分解纖維素釋碳，標志掛膜完成.

圖2 氮去除效果及出水TOC變化Fig.2 The removal efficiency of nitrogen and changes of TOC

2.2 pH值的變化

由反應式（1）、（2）可知，生物反硝化過程中通常會產生堿度，使pH值升高.圖3為反應器運行過程中進出水pH值變化.從圖3的結果可以看出，運行過程中出水pH值均低于進水pH值并且更接近中性，這是因為以玉米芯等纖維素類物質作為反硝化碳源時，纖維素、半纖維素在微生物作用下分解釋碳，在分解過程中，纖維素半纖維素逐級水解產生有機酸等簡單有機物，中和反硝化產生的一部分堿度，從而使出水pH值低于進水并更趨于中性.熊劍鋒等［16］在梧桐樹葉作為反硝化碳源的研究中，利用高效液相色譜對其浸出液進行分析，發現其中的主要成分為有機酸類物質，說明溶液中pH值下降是有機酸釋放導致；邵留等［17］以稻草為碳源和生物膜載體去除水中硝酸鹽的研究中也有類似結論，即在隨著反硝化的進行，出水pH值基本維持在中性.因此，纖維素類物質作為反硝化碳源和生物載體時具有穩定體系pH值的能力.

圖3 運行過程中pH值變化Fig.3 The changes of pH in the operation process

2.3 玉米芯表面性狀特征分析

為了對比反硝化濾池（DN）運行前后玉米芯表面性狀和微生物的附著特性，對初始玉米芯及反應130d后的玉米芯表面特性進行掃描電子顯微鏡（SEM）分析.

圖4（a）和（b）是初始玉米芯及反應130d后玉米芯的掃描電鏡圖.由圖4可知，初始玉米芯表面非常粗糙，有較多的孔洞，利于微生物附著生長.反應130d后，玉米芯表面形成致密的生物膜，生物膜主要以球狀和桿狀微生物為主，成簇生長在玉米芯表面，生物密度較大.有報道指出［18-20］，反硝化細菌為短桿狀、弧狀和球狀微生物，本研究中玉米芯表面生物膜的優勢微生物形態與現有相關文獻報道基本一致.

圖4 反應前及反應130d后玉米芯掃描電鏡圖片Fig.4 SEM image of corncob by before and after 130days denitrification

2.4 微生物多樣性和分類學分析

通過對樣品16S rRNA基因庫進行Miseq高通量測序，經修剪去雜后，獲得29092條優化序列，序列平均長度為438.22bp.將優化序列提取非重復序列、去除沒有重復的序列后與Silva庫對比后進行聚類，在97%的相似性下獲得了182個OUTs，樣品的稀釋曲線如圖5所示，可見測序序列數量大于5000時仍有新的OUT被測出，利用Miseq高通量測序可獲得豐富的生物信息；樣品的稀釋曲線隨測序序列增加趨向平坦，說明本研究中樣品取樣合理.

圖5 樣品的稀釋曲線Fig.5 Rarefaction curve of sample

相似性為97%時樣品OUT分類結果如圖6所示，樣品分類后含有11個已知菌門，其中Proteobacteria菌門和Firmicutes菌門是最主要的菌門，Chlorobi菌門和Bacteroidetes菌門次之.此外樣品中有302個序列不能被分至已知菌門，說明這些細菌可能是未知菌種.在Proteobacteria菌門中67.15%是Betaproteobacteria，Betaproteobacteria中大多數細菌趨向于在厭氧環境下通過分解有機物來獲取營養物質，一些細菌能利用氫、氨、甲烷和揮發性脂肪酸，被認為與污泥反硝化作用密切相關［27-29］.Firmicutes菌門是一大類細菌，多數為革蘭氏陽性，菌體常表現為球狀或桿狀，有研究表明其可能也與污泥反硝化作用有關［24］.查詢《伯杰氏細菌系統分類學手冊》可知，Bacteroidetes菌門包括3大類細菌：擬桿菌綱、黃桿菌綱和鞘脂桿菌綱，其中鞘脂桿菌綱重要類群為噬胞菌屬，可以降解纖維素.為了得到更詳細的微生物群落組成并獲得樣品中對生物脫氮、纖維素水解起作用的細菌種類，下文將對微生物在屬水平進行聚類分析.

圖6 樣品群落結構分析圖（分類到門）Fig.6 Bacterial communities at phylum level of sample

根據 Silva庫中的參考序列對進行菌屬鑒定，將相對豐度小于1%的菌屬合并到其他，分析結果如圖7所示.通過對比鑒定樣品序列中共檢測到82個已知微生物菌屬，其中主要菌屬有17個.有研究表明［25］，Ruminococcaceae_incertae細菌在降解纖維素方面發揮著重要作用，主要有纖維素分解菌，果膠分解菌，淀粉分解菌等，可將復雜的有機物分解成小分子有機酸，如甲酸、乙酸、乳酸、丁酸等，并可進一步降解；Cellulomonas是一類革蘭氏陽性，能分解纖維素，還原硝酸鹽到亞硝酸鹽的細菌，大都呈短桿狀少數球狀；而Spirochaeta細菌具有專一降解半纖維素的功能.這三種與纖維素、半纖維素降解有關的菌屬占已知微生物菌屬的29.04%.因此反應器中降解纖維素、半纖維素細菌的存在為玉米芯作為反硝化碳源提供了可能.

有研究表明［11，26-29］，生物膜中與反硝化有關的主要菌屬包括：Azoarcus菌屬、Thauera菌屬、Zoogloea菌屬、Rhodocyclus菌屬、Dechloromonas菌屬、Rhodobacter菌屬、Comamonas菌屬等.在本研究中發現了Rhodocyclaceae unclassified（9.3%）、Thauera（6.25%）、Dechloromonas（3.71%）、Zoogloea（1.49%）和Hydrogenophaga（1.46%）等與反硝化有關的菌屬，這類菌屬占已知微生物菌屬的31.59%.

根據伯杰氏細菌系統學分類手冊知，Rhodocyclaceae屬于Beta proteobacteria，可劃分為10種菌屬，其中Azoarcus、Thauera和Zoogloea等8種菌屬已證實與反硝化有關［11，30-31］.Thauera是一類革蘭氏陰性細菌，大都為桿狀且具有反硝化能力，在厭氧條件下，Thauera可以以苯酸鹽、乙酸苯酯、乙酸鹽和乙醇等有機物作為電子供體進行反硝化，是一種重要的反硝化降解菌［31-32］.

Hydrogenophaga是一類革蘭氏陰性兼性嗜氫自養菌，大多為直或稍彎的桿狀，有的種可進行厭氧硝酸鹽呼吸，具有反硝化作用.微生物樣品中存在Hydrogenophaga（嗜氫菌屬），可能與復合填料中添加鐵絲有關，鐵絲在腐蝕過程中產生的H2是氫自養微生物的能源，可以促進氫自養微生物的繁殖，促進反硝化作用的進行.

圖7 樣品群落結構分析（分類到屬）Fig.7 Bacterial communities at genera level of sample

3 結論

3.1 采用復合碳源填料進行生物反硝化脫氮，能有效去除水中硝酸鹽，單位質量堿處理玉米芯硝氮去除量為1.32kg/kg，保證較低出水TOC，并避免了填料堵塞和NH4+-N的積累.

3.2 堿處理玉米芯復合填料作為反硝化碳源和生物載體時，具有穩定反硝化體系pH值的能力，出水pH值無顯著升高而更趨于中性.

3.3 玉米芯表面SEM圖中可以看出，未利用前玉米芯表面非常粗糙，有較多的孔洞；微生物利用后玉米芯表面附有一層致密的生物膜，生物膜中微生物以球狀和桿狀菌為主，成簇生長在玉米芯的表面.

3.4 Miseq高通量測序結果表明，相似性為97%時，樣品聚類后含11個已知菌門，其中與反硝化有關的Proteobacteria菌門（39.38%）和Firmicutes菌門（35.93%）為主要菌門，與纖維素降解有關的Bacteroidetes菌門（6.71%）次之.對微生物種群進行細化分析表明，生物膜中主要存在與纖維素、半纖維素降解有關及反硝化作用有關的菌屬，兩者分別占已知菌屬的比例為29.04%、31.59%.其中反硝化作用菌屬的1.46%為Hydrogenophaga（嗜氫菌屬），這為系統中可能存在氫自養反硝化菌提供了佐證.

［1］王淑瑩，殷芳芳，侯紅勛，等.以甲醇作為外碳源的生物反硝化［J］. 北京工業大學學報， 2009，35（11）：1521-1526.

［2］李洪靜，陳銀廣，顧國維.丙酸/乙酸對低能耗生物除磷脫氮系統的影響 ［J］. 中國環境科學， 2008，28（8）：673-678.

［3］李 斌，郝瑞霞，趙文莉.玉米芯與海綿鐵復合填料的反硝化脫氮特性 ［J］. 中國給水排水， 2014，30（7）：31-34.

［4］Greenan C M， Moorman T B， Kaspar T C， et al. Comparing carbon substrates for denitrification of subsurface drainage water［J］. Journal of Environmental Quality， 2006，35（3）：824-829.

［5］曹文平，張永明，李亞峰，等，郭一飛.竹絲填充床對高有機負荷及低C/N水質的脫氮特性 ［J］. 中國環境科學， 2010，30（2）：1067-1072.

［6］宋愛紅，沈志強，周岳溪，等.以稻桿為固體碳源處理分散養豬沖洗水的試驗研究 ［J］. 中國環境科學， 2015，35（7）：2052-2058.

［7］Wang X M， Wang J L. Denitrification of nitrate-contaminated groundwater using biodegradable snack ware as carbon source under low-temperature condition ［J］. International Journal of Environmental Science and Technology， 2012，9（1）：113-118.

［8］李 彭，唐 蕾，左劍惡，等.以PHAs為固體碳源的城鎮二級出水深度脫氮研究 ［J］. 中國環境科學， 2014，34（2）：331-336.

［9］趙文莉，郝瑞霞，李 斌，等.預處理方法對玉米芯作為反硝化固體碳源的影響 ［J］. 環境科學， 2014，35（3）：987-994.

［10］Rocca C D， Belgiorno V， Meric S. Cotton-supported heterotrophic denitrification of nitrate-rich drinking water with a sand filtration post-treatment ［J］. Water Sa， 2005，31（2）：229-236.

［11］黃 菲，梅曉潔，王志偉，等.冬季低溫下MBR與CAS工藝運行及微生物群落特征 ［J］. 環境科學， 2014，34（3）：1002-1008.

［12］王紹祥，楊洲祥，孫 真，等.高通量測序技術在水環境微生物群落多樣性中的應用 ［J］. 化學通報， 2014，77（3）：196-203.

［13］Shen Z， Zhou Y， Hu J， et al. Denitrification performance and microbial diversity in a packed-bed bioreactor using biodegradable polymer as carbon source and biofilm support ［J］. Journal of Hazardous Materials， 2013，250：431-438.

［14］鄭林雪，李 軍，胡家瑋，等.同步硝化反硝化系統中反硝化細菌多樣性研究 ［J］. 中國環境科學， 2015，35（1）：116-121.

［15］編委會國家環境保護總局水和廢水監測分析方法，編.水和廢水監測分析方法（第四版） ［M］. 中國環境科學出版社， 2002：836.

［16］熊劍鋒，徐 華，閻 寧，等.梧桐樹葉作為反硝化碳源的研究［J］. 環境科學， 2012，33（11）：4057-4061.

［17］邵 留，徐祖信，金 偉，等.以稻草為碳源和生物膜載體去除水中的硝酸鹽 ［J］. 環境科學， 2009，30（5）：1414-1419.

［18］李 軍，徐 影，王秀玲，等.固體碳源填充床反應器反硝化性能的研究 ［J］. 農業環境科學學報， 2012，31（6）：1230-1235.

［19］李素梅，郝瑞霞，孟成成.三維電極生物膜反應器低溫啟動試驗研究 ［J］. 中國給水排水， 2013，29（5）：101-105.

［20］鄭照明，李澤兵，劉常敬，等.城市生活污水SNAD工藝的啟動研究 ［J］. 中國環境科學， 2015，35（4）：1072-1081.

［21］陶天申.原核生物系統學 ［M］. 北京：化學工業出版社，2007：586.

［22］Feng C， Zhang Z， Wang S， et al. Characterization of microbial community structure in a hybrid biofilm-activated sludge reactor for simultaneous nitrogen and phosphorus removal ［J］. Journal of Environmental Biology， 2013，34（2SI）：489-499.

［23］Shen Z， Zhou Y， Hu J， et al. Denitrification performance and microbial diversity in a packed-bed bioreactor using biodegradable polymer as carbon source and biofilm support ［J］. Journal of Hazardous Materials， 2013，250：431-438.

［24］Knowles R. Denitrification ［J］. Microbiological Reviews，1982，46（1）：43-70.

［25］鄭 德.瘤胃纖維素降解微生物的篩選及產纖維素酶酶學性質的研究 ［D］. 南京：南京理工大學， 2010.

［26］Osaka T， Yoshie S， Tsuneda S， et al. Identification of acetate- or methanol-assimilating bacteria under nitrate-reducing conditions by stable-isotope probing ［J］. Microbial Ecology， 2006，52（2）：253-266.

［27］Thomsen T R， Kong Y， Nielsen P H. Ecophysiology of abundant denitrifying bacteria in activated sludge ［J］. Fems Microbiology Ecology， 2007，60（3）：370-382.

［28］Seviour R， Nielsen P H， Seviour R， et al. Microbial Ecology of Activated Sludge ［M］. 2010.

［29］陳 誼，孫寶盛，張斌，等.不同MBR反應器中反硝化菌群落結構的研究 ［J］. 中國環境科學， 2010，30（1）：69-75.

［30］郝瑞霞，孟成成，王建超，等.三維電極生物膜-硫自養耦合脫氮系統中反硝化細菌多樣性研究 ［J］. 北京工業大學學報， 2014，40（11）：1722-1729.

［31］Hao R， Li S， Li J， et al. Denitrification of simulated municipal wastewater treatment plant effluent using a three-dimensional biofilm-electrode reactor： Operating performance and bacterial community ［J］. Bioresource Technology， 2013，143：178-186.

［32］Shinoda Y， Sakai Y， Uenishi H， et al. Aerobic and anaerobic toluene degradation by a newly isolated denitrifying bacterium，Thauera sp strain DNT-1 ［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2004，70（3）：1385-1392.

Denitrification of composite carbon filler and character of microbial community.

ZHAO Wen-li1，2， HAO Rui-xia1*，WANG Run-zhong1， DU Peng1（1.College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology，Beijing 100124， China；2.Beijing Sound Environment Group Ltd， Beijing 100081， China）. China Environmental Science，2015，35（10）：3003～3009

To study advanced denitrogenation of low C/N ratio effluent from municipal wastewater treatment plant， the composite carbon filler composed of corncob pretreated by alkali， zero-valent iron and activated carbon was made. The performance of composite carbon filler denitrification system was investigated and Miseq high-throughput was also applied to study the microbial community structures. Composite media in denitrification could be effectively used and achieve a higher total nitrogen （TN） removal rate. The TN removal efficiency of the denitrification reactor could be above 95% and the concentration of TOC in the effluent was about 15mg/L when the temperature was about 28℃， the Hydraulic Retention Time （HRT） was 7.7h and the inflowwas about 20～30mg/L. The analysis revealed that at the genus level the genera related to denitrifying and degradation of cellulose， was accounted for 40.35% and 29.04% which were related to known bacteria， respectively. So，the masses of denitrifying bacteria and cellulolytic bacterium in the sludge made it feasible to denitrify of composite carbon filler efficiently.

composite carbon filler；denitrification；Miseq high-throughput；character of microbial community

X703.1

A

1000-6923（2015）10-3003-07

趙文莉（1988-），女，河南商丘人，北京工業大學碩士研究生，主要研究方向為污水處理與資源化回用.

2015-03-26

國家自然科學基金項目（51178005）

* 責任作者， 教授， haoruixia@bjut.edu.cn