【派森诺项目文章】SBR研究第二发!不同Fe3+离子浓度对污水处理的重要影响

继在《RSC Advances》发表文章探讨碳氮比在氨氧化系统长期处理污水过程中的重要性之后,派森诺生物再次与西北农林科技大学合作,在《Applied Microbiology and Biotechnology》(影响因子3.420)上发表文章,揭示了不同Fe3+离子浓度下,厌氧氨氧化污水处理系统ASBR中,氨氧化微生物群落组成多样性的变化情况。

研究背景

SBR是序批式活性污泥反应器的简称,是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理系统。它的主要特征是有序和间歇的运行操作,并且无污泥流回系统。在SBR系统中,核心部分就是厌氧氨氧化菌生物除氮技术,它们具有高效除氮效率和低廉的成本。铁盐在其中作为污水处理的沉淀剂,铁离子则是厌氧氨氧化菌必不可少的底物,厌氧氨氧化菌能将厌氧氨氧化作用与Fe3+的还原作用相结合,对污水进行除氨脱氮。

研究目的

SBR系统的应用日趋广泛,但是污水中的重金属、有机物、PH值以及溶氧量限制了厌氧氨氧化菌的生长速率。为了解决这些问题,让厌氧氨氧化生物的除氮能力在SBR系统中得到最大化的利用,本研究从4个方面v对SBR系统进行探究:

1. 不同Fe3+浓度对厌氧氨氧化菌生长速率和活性的影响;

2. 不同Fe3+浓度对SBR系统脱氮效果的影响;

3. SBR系统中氮、铁循环相关功能基因间的关系;

4. 不同Fe3+浓度对氮、铁循环相关菌群组成和多样性的影响。

通过以上4个方面的研究,旨在说明SBR工艺中,Fe3+浓度对该过程的影响以及氨氧化菌群组成结构和多样性的变化。

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ASBR系统对污水处理的长期作用,取900ml的种子污泥,接种于新的SBR系统中,进行为期120天的长期驯化反应。将120天分为6个阶段,第一阶段1~20天为适应期,不加入Fe3+离子;在适应期过后,将Fe3+-EDTA原液加入到反应器中保持每个阶段不同的Fe3+离子浓度;在每个阶段的最后时刻,取SBR反应器中0.5g污泥用于菌群总DNA的提取及后续测序。新的SBR系统的工作体积为2.6L,工作时间为6小时。每个阶段氨、亚硝酸以及Fe3+流入浓度具体数值见下表:

研究结果

对ASBR系统分别进行短程和长期研究,并对长期反应中6个阶段的污泥样本(共6个样品)进行高通量测序,获得28,306~33,426条高质量序列。

在不同Fe3+浓度下,ASBR系统中污泥短程反应的动力学结果表明,在Fe3+等于0.10mM时厌氧氨氧化菌的生长速率最大(0.1709 d-1);当Fe3+浓度在0.04~0.10mM之间时,厌氧氨氧化菌的生长速率和氨氧化活性逐渐升高,但是随着Fe3+浓度的继续增加,厌氧氨氧化菌的生长速率和氨氧化活性反而有所降低。

ASBR系统长期污水处理的效果检测发现,在I~V阶段中SBR的脱氮效率及脱氮速率随着Fe3+浓度的增加逐渐提高;而进入VI阶段后,脱氮效率和脱氮速率明显降低,但还是高于第I阶段,说明厌氧氨氧化菌对高Fe3+浓度具有一定的耐受能力。

荧光定量PCR结果显示,6个阶段中厌氧氨氧化菌的绝对丰度在3.36 × 108和2.12 × 109拷贝数/g之间,在阶段V中绝对丰度最高,进入第VI阶段后明显下降;通过计算16s rRNA基因与功能基因的皮尔森相关系数,发现厌氧氨氧化菌与(narG+napA)、nrfA、nosZ及FeRB菌群都具有显著正相关。

对6个阶段污泥样品进行高通量测序,其中优势物种有分别ChloroflexiPlanctomycetesProteobacteriaCandidatus BrocadiaKuenenia;PCoA结果显示阶段II~IV中的厌氧氨氧化菌群的组成结构更为相似,阶段VVI更为相似,且与第I阶段差异较大。

每个阶段污泥样品中菌群组成谱分析显示,在6个阶段中Chloroflexi都是最主要优势门,平均相对丰度为36.54%,另外3个优势门分别是Planctomycetes(32.26%)、Proteobacteria(16.95%)、Chlorobi(5.57%)

将45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,45个优势属中26个具有已知功能,其中4个属于厌氧氨氧化菌,7个具有反硝化功能,另外还有19个分类单元没有预测到已知功能类群。

通过PCoA的结果,将6个样品分为A、B、C三组,对菌群代谢途径中各个子代谢通路进行统计,结果显示氨氧化菌、硫氧化菌、硫还原菌、硝酸盐还原菌、反硝化菌等在B、C中丰度更高。

总结

在以前研究的基础上,本研究同样运用动力学分析、荧光定量PCR以及高通量测序等方法,从短程氨氧化和长期氨氧化两方面阐明不同Fe3+浓度对ASBR系统的影响,为SBR工艺处理污水中Fe3+浓度的控制提供有力的科学指导!

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:

Wang X , Shu D-T , Yue H (2016). Taxonomical and functional microbial community dynamics in an Anammox-ASBR system under different Fe (III) supplementation . Appl Microbiol Biotechnol . doi: 10.1007/s00253-016-7865-1

点击链接,查看原文:https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00253-016-7865-1