廢水硫自養(yǎng)反硝化的電子供體與功能基因研究進(jìn)展

包麗婧,陳東輝,朱艷彬,包茵舟,黃滿紅,2,*

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,紡織行業(yè)污染治理與減排技術(shù)重點實驗室,上海 201620;2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092)

圖1 硫自養(yǎng)反硝化近20年發(fā)表論文數(shù)量(Web of Science)

目前,國內(nèi)外對于硫自養(yǎng)反硝化電子供體及功能基因的研究進(jìn)展較少,本文綜述了自養(yǎng)反硝化中3種常見的電子供體,對相關(guān)的功能基因和功能酶進(jìn)行了闡述,以期為未來高效綠色反硝化處理提供參考。

1 硫自養(yǎng)反硝化的電子供體

表1 不同硫源進(jìn)行反硝化的反應(yīng)式

1.1 S0

注:Sb為生物可利用性硫。

1.2 S2-

注:SADB為硫自養(yǎng)反硝化菌;HDB為異養(yǎng)反硝化菌;EB為產(chǎn)電菌;FAB為兼性自氧菌。

表2 不同電子供體用于反硝化的成本

2 硫自養(yǎng)反硝化微生物

2.1 硫自養(yǎng)反硝化主要菌屬

最常見的硫自養(yǎng)脫氮微生物主要是Thiobacillus(脫氮硫桿菌屬)和Sulfurimonas(硫單胞菌屬),表3列舉了幾種常見的反硝化優(yōu)勢菌屬以及它們能夠利用的電子供體。

表3 硫自養(yǎng)反硝化微生物和主要的電子供體

2.2 硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌環(huán)境影響因子

冬天較低的溫度會顯著降低脫氮的效果,從而限制硫自養(yǎng)反硝化的應(yīng)用。Hao等[26]將S0自養(yǎng)生物膜接種到15 ℃的低溫條件下進(jìn)行試驗,發(fā)現(xiàn)由于微生物在低溫下產(chǎn)生了緊密結(jié)合的胞外聚合物(EPS),其中蛋白質(zhì)含量的增加能夠保護(hù)微生物免受低溫影響,使得整個反應(yīng)對低溫的適應(yīng)能力更強(qiáng),脫氮性能更優(yōu)。Vackov等[41]培養(yǎng)出了一種能夠在10 ℃以下進(jìn)行反硝化的混合菌種,并且取得了較好的反硝化效率。越來越多的研究拓寬了硫自養(yǎng)反硝化的應(yīng)用范圍,使得低溫高效脫氮成為可能。

3 反硝化代謝途徑功能基因

圖5 反硝化過程中硫和氮的轉(zhuǎn)化途徑過程

硫氧化過程為反硝化過程提供電子供體,隨著nap基因和硝酸還原酶(Nar)被識別,硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,接著由nir基因編碼的亞硝酸鹽還原酶(Nir)將亞硝酸鹽還原為NO,因此,這類微生物有減少亞硝酸鹽的能力。一氧化氮還原酶(Nor)和一氧化二氮還原酶(Nos)也是自養(yǎng)反硝化過程中重要的功能酶。表4列舉了與反硝化相關(guān)的重要功能基因和酶,除了反硝化功能基因外,硫氧化基因sqr、soxB和dsrA的豐度在硫自養(yǎng)反硝化過程中也會對反硝化去除率產(chǎn)生一定的影響[9,43-44],S2-通過生物電化學(xué)過程部分氧化為S0,隨后氧化為硫酸鹽,在這過程中sox基因的豐度明顯增加,從而促進(jìn)反應(yīng)快速進(jìn)行。

表4 反硝化與硫氧化相關(guān)的功能基因

然而硫自養(yǎng)反硝化也存在著一些缺陷,研究[45]發(fā)現(xiàn),硫驅(qū)動的自養(yǎng)反硝化會使系統(tǒng)pH降低,當(dāng)pH較低時,會嚴(yán)重抑制nirS和nirK型反硝化菌,含nosZ的反硝化菌的轉(zhuǎn)錄活性和生長也會受到影響,從而對反硝化造成不良影響,投加石灰石、牡蠣殼和碳酸氫鈉提供堿度,能夠平衡這種影響。此外,S2-具有生物毒性,會影響微生物的活性,S2-會使細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞色素c(CytC)變性,阻礙細(xì)胞色素c傳遞電子,影響末端的氧化酶進(jìn)行反硝化脫氮。因此,在用S2-為電子供體前需要對微生物進(jìn)行馴化,不斷提高微生物對于S2-毒性的耐受。

為了更好地發(fā)展和深入對反硝化代謝功能基因的研究,以確定功能性微生物在脫氮脫硫系統(tǒng)中的作用和相互作用,通常使用梯度凝膠電泳、基因高通量測序、宏基因組學(xué)、聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)(表5)等現(xiàn)代分子生物學(xué)手段[46]。

表5 反硝化相關(guān)功能基因的PCR引物

反硝化功能基因是脫氮過程的關(guān)鍵參與者,有效管理這些功能基因以實現(xiàn)工藝的可靠和可持續(xù)運行,通過對特定功能基因的設(shè)計有助于提高反硝化系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。隨著對硫自養(yǎng)反硝化微生物功能基因研究的逐漸深入,將發(fā)現(xiàn)更多新的功能微生物群落和新的功能基因,有助于增強(qiáng)對反硝化相關(guān)過程的理解,并為系統(tǒng)設(shè)計提供有效、可靠和預(yù)測性的信息。

4 結(jié)論和展望

本文總結(jié)了自養(yǎng)反硝化過程中硫源電子供體的氧化過程及自養(yǎng)反硝化的主要菌種,并在此基礎(chǔ)上分析了反硝化代謝過程中功能基因和功能酶的作用形式,以期為硫自養(yǎng)反硝化的實際應(yīng)用和改進(jìn)提供參考。未來的研究與發(fā)展重點應(yīng)包括以下內(nèi)容。

(1)硫自養(yǎng)反硝化中的微生物強(qiáng)化研究。繼續(xù)深入對自養(yǎng)反硝化微生物作用機(jī)理的研究,通過投加特定的菌劑、基因增強(qiáng)等生物強(qiáng)化法以使硫自養(yǎng)微生物更好地利用硫源進(jìn)行高效反硝化。

(2)異養(yǎng)和自養(yǎng)反硝化混合營養(yǎng)形式。實際處理中投加少量碳源以增加堿度,通過有機(jī)碳刺激硫的轉(zhuǎn)化,多種電子供體協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)高效的脫氮,降低出水硫酸鹽濃度和出水硬度。

(3)硫自養(yǎng)反硝化與其他工藝耦合。隨著對水質(zhì)處理要求的提高和對低碳低能耗的要求,越來越多的研究聚焦于硫自養(yǎng)反硝化與其他工藝耦合,硫自養(yǎng)-人工濕地、硫自養(yǎng)-電化學(xué)、硫驅(qū)動脫硝-厭氧氨氧化耦合都具有良好的應(yīng)用前景,采用這些耦合工藝,能夠充分利用中間產(chǎn)物,提高實際可行性。