【派森诺项目文章】污水处理还在靠脱氮剂?厌氧氨氧化系统更有效!

最近,派森诺生物与西北农林科技大学合作,在《RSC Advances》发表文章(最新影响因子3.289),揭示了碳氮比在氨氧化系统长期处理污水过程中的重要性,以及不同碳氮比对氨氧化菌群的多样性组成谱变化的影响。

研究背景

厌氧氨氧化是指在缺氧条件下以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体,将氨转化为N2的生物脱氮过程,主要被应用于氨富集的污水处理工艺中。它由一群高度复杂的原核菌群构成,其中细菌占主导地位。厌氧氨氧化细菌被发现于反硝化反应器中,它们主要是由Plantomycete门组成,共有6个属。由于厌氧氨氧化菌生长速率很缓慢,并且对环境条件很敏感,因此厌氧氨氧化微生物的应用并不广泛。厌氧氨氧化菌是自养菌,并有研究报道,有机碳的碳氮比(TOC/TN)是自养氨氧化和异样氨氧化反应的关键所在,所以碳氮比(TOC/TN)是生物脱氮的关键因素。

研究目的

污水的排放对河流水质的影响日趋严重,为了更好地运用生物脱氮方法对污水进行处理,本研究从4个方面对SBR序列批式反应器系统进行探究:1、有机碳氮比(TOC/TN)对有机氨氧化菌的生长速率及生物活性的影响;2、有机氨氧化细菌在不同TOC/TN比下对氨氧化过程的重要度;3、脱氮速率与相关功能基因之间的定量关系;4、厌氧氨氧化菌群的多样性与不同TOC/TN比的关系。通过这4个方面的研究,旨在阐明TOC/TN比在厌氧氨氧化系统对污水处理的长期作用中,对该过程的影响以及氨氧化菌群结构的多样性变化。

研究方法

测序技术:Illumina MiSeq高通量测序平台

测序模式:微生物组16S rRNA基因V3-V4区测序

实验对象:SBR反应器中的活性污泥

实验设计:为研究氨氧化系统对污水处理的长期作用,取900 ml的种子污泥,接种于新的SBR系统中,进行为期140天的长期反应。将140天分为6个阶段,第一阶段1~62天为适应期,在适应期过后,将乙酸盐和丙酸盐的混合溶液加入到反应器中保持每个阶段不同的TOC/TN比;在每个阶段的最后时刻,取SBR反应器中0.5 g污泥用于DNA的提取及后续测序。新的SBR系统的工作体积为2.6 L,工作时间为12小时。每个阶段氨和亚硝酸的流入浓度以及TOC/TN比的具体数值见下表:

研究结果

对5个样本进行高通量测序,获得14,505~21,586条序列,5个样本在97%的序列相似度水平归并为1112~1750个OTU,共包含个15细菌门和144个属。其中,PlanctomycetesProteobacteriaChloroflexiChlorobi为优势门。

在不同TOC/TN比下, SBR反应器系统中污泥进行短程厌氧氨氧化反应,动力学结果表明在TOC/TN等于0.20时厌氧氨氧化菌的生长速率最大(0.1236 d-1);并且,当TOC/TN在0.05~0.61之间时,Ca. Brocadia sinica的生长速率和氨氧化活性都较高。

对SBR系统进行长期污水处理的效果进行检测,发现在I~III阶段中SBR的脱氮效率及脱氮速率随着时间有少许降低,但是总体维持在较高水平;而进入IV阶段后,脱氮效率脱氮速率则明显降低;进入恢复期,加入了高浓度的氨氧化菌污泥后,脱氮效率脱氮速率又有明显回升。

II~IV阶段,自养氨氧化和有机营养型氨氧化是主要的脱氮途径,随着时间的推移,脱氮比例有少许减少(从76.03%到76.48%);但是进入第V阶段后,氨氧化途径的脱氮比例显著下降(2.42%),而反硝化途径的脱氮比例明显增加。

荧光定量PCR结果显示,从阶段IIV氨氧化细菌的AOB基因丰度逐步升高,而进入第V阶段后,AOB基因丰度明显下降,说明AOB基因对TOC/TN的耐受范围在0.1~0.4之间。

逐步回归方程分析结果表明,在不同的TOC/TN比下,厌氧氨氧化、反硝化及有机氨氧化能同时存在于厌氧氨氧化SBR系统中,三者的共存使得脱氮和有机碳的去除可同时进行。

通过对NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TOC的转化效率进行分析,得到可视化的氮素转化通路图,由通路图可知具有AOAAOBnrfA及厌氧氨氧化功能基因的细菌是NH4+-N转化的关键菌群;在TOC/TN≤0.1,即在第I~II阶段时,厌氧氨氧化是NO2--N转化的主要途径,而在TOC/TN≥0.2(第III~V阶段)时,NO2--N转化的主要途径是反硝化;在TOC/TN≥0.2时,nrfA和脱硝是NO2--N和NO3--N主要转化途径。

每个阶段污泥样品中菌群的多样性结果显示,Planctomycetes是最主要优势门,平均相对丰度为31.25%,另外3个优势门分别是Proteobacteria(22.22%)、Chloroflexi(17.93%)及Chlorobi(11.78%)

将27个优势属进行菌群——功能一致性分析,由热图可视化结果可知在与厌氧氨氧化功能相关的3种属中,Ca. Brocadia sinica的相对丰度从第I~IV阶段逐渐升高,但是进入第V阶段后,其丰度有所下降;Ca. Jettenia asiatica在第II~III阶段中相对丰度有小幅增加,但是进入第5阶段后显著下降;Ca. Kuenenia stuttgartiensis不存在于第I阶段中,但在低TOC/TN比中具有一定丰度,并且在第IVV阶段中它的相对丰度也显著降低。

总结

本研究通过动力学分析、荧光定量PCR以及高通量测序等方法,将短程氨氧化和长期氨氧化分析结果相结合,阐明不同TOC/TN比对长期运用厌氧氨氧化系统进行污水处理的影响,为SBR污水处理工艺中TOC/TN比的控制提供有力的科学依据!

本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。

文章索引:

Shu D, He YL, Yue H, Gao JL, Wang QY, Yang SC (2016) Enhanced long-term nitrogen removal by organotrophic anammox bacteria under different C/N ratio constraints: quantitative molecular mechanism and microbial community dynamics. RSC Adv 6:87593–87606

点击链接,阅读原文:http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/RA/C6RA04114K#!divAbstract