不同碳源馴化活性污泥后其生物多樣性的差異及對反硝化的影響的研究

馬玉川，吳 峰，王洪亮，周 鑫，董曉姝

1.江蘇金山優(yōu)水愛環(huán)保科技有限公司，江蘇 宜興 214212；2.沈陽市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110065；3.國能遼寧環(huán)保西部污水處理廠，遼寧 沈陽 110178

新型碳源-麥可碳2000 在國內(nèi)工程中的應(yīng)用已將近四年，卻很少有研究來探究其馴化后活性污泥的生物多樣性、微生物群落組成以及其對反硝化反應(yīng)的影響，其生化通道和代謝途徑尚處于未知狀態(tài)。為了了解新型碳源-麥可碳與傳統(tǒng)碳源在生物多樣性、微生物群落結(jié)構(gòu)以及對反硝化影響方面的相似性和差異，筆者運(yùn)用高通量測序技術(shù)對反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期為污水處理廠增強(qiáng)系統(tǒng)的反硝化作用、降低運(yùn)行成本、更合理經(jīng)濟(jì)地選擇外加碳源提供有效的理論參考。

1 污水處理廠背景情況

參與試驗(yàn)的污水處理廠位于我國東北部，日處理能力為15 萬t/d，A2/O 工藝，分2 期建設(shè)，分為老區(qū)和新區(qū)，每個區(qū)又分為東西2 條線。2 組生化系統(tǒng)，其工藝條件、外部環(huán)境、邊界條件及運(yùn)行工況都高度相似，從生化反應(yīng)器到沉淀池都相互獨(dú)立，為不同碳源的比較試驗(yàn)提供了較好的條件。

該廠在過去2年內(nèi)一直使用固體三水乙酸鈉作為補(bǔ)充外加碳源，運(yùn)行基本正常，出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，只有在冬季極寒天氣下乙酸鈉的投加量較正常時期有大量增加。由于污水處理廠的運(yùn)行管理水平較高，所以整個生化反應(yīng)器中的污泥形狀良好，污泥質(zhì)量濃度長期維持在4 000～6 000 mg/L 之間。表1 為試驗(yàn)前污水處理廠的進(jìn)出水平均數(shù)據(jù)及實(shí)際碳源投加量。

表1 污水處理廠新、老區(qū)平均進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)

2 污泥馴化階段

鑒于該污水處理廠長期使用乙酸鈉，故其老區(qū)生化池的活性污泥可以視為已經(jīng)馴化完成。因此，從2021年10月10 日開始，就開始在污水處理廠新區(qū)中用麥可碳逐步替代乙酸鈉了，到10月21 日實(shí)現(xiàn)了完全替代。此后在保證新區(qū)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況下，用麥可碳持續(xù)馴化新區(qū)的活性污泥，時間長達(dá)30 d。

3 樣品采集

10月21 日開始分別從新、老區(qū)缺氧池中取樣，每隔15 d 取1 次，累計(jì)取3 次。表2 為老區(qū)（L）、新區(qū)（X）取樣時段列表。

表2 樣品取樣時間表

4 總NDA 的提取

本樣品由微基生物科技（上海）有限公司進(jìn)行文庫制備（基因組DNA 抽提，PCR 擴(kuò)增，AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒回收，用FTC-3000TM real-time PCR 儀進(jìn)行實(shí)時熒光定量），然后進(jìn)行illumina 高通量測序及生物信息學(xué)分析。

Illumina 測序?qū)嶒?yàn)流程如圖1 所示。

圖1 Illumina 測序?qū)嶒?yàn)流程圖

5 Alpha 多樣性差異分析

過往對傳統(tǒng)碳源的研究發(fā)現(xiàn)，相同邊界條件下不同碳源對微生物多樣性的影響略有差異。從表3可以看出微生物樣本覆蓋率接近100%，說明本次測序結(jié)果是可信的。通過對Chao、Ace、Shannon 和Simpson 等指數(shù)進(jìn)行觀察、對比，發(fā)現(xiàn)新、老區(qū)經(jīng)2種不同碳源馴化培養(yǎng)后的微生物，其群落多樣性僅存在細(xì)微的差異，但對活性污泥均有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

表3 生物多樣性指數(shù)表

6 微生物群落結(jié)構(gòu)差異分析

對2 組樣品在門水平（Phylum）上微生物群落的組成情況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)2 組樣品活性污泥中的微生物群落主要由變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）等組成，這與早期的研究結(jié)果一致[1]。但其相對豐度存在較大的差異，乙酸鈉作為碳源時其變形菌門和放線菌門分別是54.2%和20%，而麥可碳組的變形菌門和放線菌門分別為29.7%和50.1%。Proteobacteria 與Actinobacteria 是活性污泥中常見的優(yōu)勢菌種。

在門水平上反映出的Proteobacteria 與Actinobacteria 的相對豐度可以體現(xiàn)兩種碳源對微生物的選擇差異性。麥可碳組放線菌門的豐度顯著增加，推測可能與麥可碳的代謝途徑有關(guān)。

2 種樣品在群落結(jié)構(gòu)（Genus）上也存在較大差異，麥可碳組優(yōu)勢菌種的豐度明顯高于乙酸鈉組。乙酸鈉組中豐度前十的其他菌屬依次為：Proteobacteria 、Anctinobacteria 、Micropruina 、Intrasporangium、Alicycliphilus、Actinosynnema、Bosea、Acidovorax、Stenotrophomonas、Comamonas。麥可碳組中豐度前十的其他菌屬依次為：Proteobacteria、Anctinobacteria 、Micropruina 、Intrasporangium 、Alicycliphilus、Actinosynnema、Bosea、Acidovorax、Comamonas、Tessaracoccus[2]。

7 對反硝化的影響

經(jīng)2 種碳源馴化后的活性污泥除了優(yōu)勢菌種Proteobacteria 和Anctinobacteria 外，經(jīng)麥可碳馴化后的活性污泥中盡管有部分反硝化功能菌種的豐度低于乙酸鈉組，但Micropruina 和tessaracoccus 均較乙酸鈉組的豐度有了顯著的提升，實(shí)現(xiàn)了富集。這2類菌屬均與反硝化菌有關(guān)，使麥可碳反硝化功能菌種的總豐度得到了提高，因此經(jīng)麥可碳馴化的活性污泥的反硝化功能比乙酸鈉的更強(qiáng)。

Tessaracoccus 是一類兼性厭氧菌，存在于活性污泥、海底沉積物、被油污染的含鹽土壤中，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，該菌種與碳循環(huán)密切相關(guān)[3]。

8 結(jié)論

經(jīng)乙酸鈉與麥可碳馴化后的活性污泥在生物多樣性方面相仿，僅存在微弱的差異，即乙酸鈉的多樣性指數(shù)略高于麥可碳。盡管其各自擁有獨(dú)特的菌種，但從工程應(yīng)用上來看并沒有顯著的區(qū)別。樣品數(shù)據(jù)顯示，微生物群落的差異主要體現(xiàn)在優(yōu)勢菌種的相對豐度上，即總的反硝化功能菌種的豐度上，麥克碳優(yōu)于乙酸鈉。通過表2 中新、老區(qū)的出水總氮以及碳源實(shí)際投加量的數(shù)據(jù)可以看出，乙酸鈉和麥可碳的COD 貢獻(xiàn)值分別為：41.25 mg/L 和31.68 mg/L，即在出水總氮相同的條件下，麥可碳組的脫氮效率高于乙酸鈉組，也驗(yàn)證了結(jié)論2。推測其原因可能是試驗(yàn)階段的水溫偏低，最低水溫僅在12 ℃左右，這也凸顯了麥可碳的低溫優(yōu)勢。但本研究也存在不足之處，本次研究中麥可碳馴化活性污泥的時間僅為1 個月，而乙酸鈉馴化時間已長達(dá)幾年。經(jīng)麥可碳馴化的活性污泥中微生物菌落結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到完全穩(wěn)定狀態(tài)，有待進(jìn)一步研究。