填料类型和曝气条件对生物栅微生物群落的影响

李秀艳, 张 岩, 刘 军, 李华芝

(1.华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海 200062;2.内蒙古第二林业勘察设计院,内蒙古乌兰浩特 137400;3.上海新东京(集团)有限公司,上海 200232)

填料类型和曝气条件对生物栅微生物群落的影响

李秀艳1, 张 岩1, 刘 军2, 李华芝3

(1.华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海 200062;2.内蒙古第二林业勘察设计院,内蒙古乌兰浩特 137400;3.上海新东京(集团)有限公司,上海 200232)

以水生植物和填料为要素构建生物栅装置,用以强化处理富营养化水体.实验采用6 m3·d-1的中试规模,7个廊道并联运行,连续进出水.研究不同的填料类型和不同曝气条件下的污染去除效果以及填料生物膜微生物群落结构的变化.结果表明,填料在污染去除中起重要作用,投加填料的反应池CODCr、总氮和氨氮的去除率较无填料对照池分别提高了42.1%～52.2%,24.4%～47.8%和58.7%～71.4%.悬浮填料生物膜微生物相对处于好氧生境,有利于COD和NH+4的好氧氧化去除,而组合填料和新型填料存在兼性厌氧的生境,有利于总氮的去除.采用间歇曝气的方式可以一定程度地提高系统污染去除效率.ERIC-PCR指纹图谱分析表明,填料挂膜阶段,3种填料生物膜带型相似,随着系统挂膜成熟及稳定运行,填料生物膜带型分化成两大类型.悬浮填料为一大类型,组合填料和新型填料为另一类型.3种填料生物膜微生物种群丰富度明显提高.间歇曝气的3号和5号条带微生物的种群丰富度高于未曝气的2号和4号,有利于污染物的去除.总之,随着系统的稳定运行,填料生物膜微生物多样性指数显示出逐渐增大的趋势,表明系统中微生物种群趋于多样化,系统处于良好的稳定状态.

ERIC-PCR; 生物栅; 生物膜; 富营养化; 曝气

Abstract:A biological grid device,consisting of hydrophytes and packings,was constructed to reinfo rce treatment of eutrophic river water.A pilot scale experiment was perfo rmed to study the influences of aeration and packing types on pollutant removal and characteristics of microbialcommunity on biomembrane.Seven reaction tankswere parallelly connected and the p rocesswas continuously influent and effluent,w ith water inflow designed to be 6 m3·d-1.The results show that packings,working as microbial carriers,have impo rtant roles on pollutant removal.Reaction tanks w ith packings have higher removal efficiencies of CODCr,total N and NH+4-N,w ith 42.1%～52.2%,24.4%～47.8%and 58.7%～71.4%higher than those w ith none packing tanks,respectively.Compared w ith suspended packings,combined packings and the new type packings have comp licated microsetting,thus have higher removal efficienciesof total N.A t the same time,intermittent aeration have higher pollutant removal efficiency for all three packings than none aeration ones.ERIC-PCR fingerp rinting analysis show s that similar band patterns have been found from biofilm samp les of the three kinds of packings before the maturity of biofilms.A long w ith thematurity of biofilms and system stabilization,biofilm band patterns are divided into two types,suspended carriers have one kind and the combined packings as well as the new type packings have theother.A t the same time,microbial population diversity increasesand pollutant removal efficiency goes up for all the three packings types.Intermittent aeration tanks(No.3 and No.5)havemo remicrobial population diversity than none aeration ones(No.2 and No.4),w hich are in favor of pollutant removal.Therefo re,along w ith stableoperation,microbial population diversity index increases and system is in good condition.

Key words:ERIC-PCR; biological grid device; biofilm; eutrophic water; aeration

0 引 言

城市景观水体治理技术主要包括物理化学方法[1-3]、生态方法[4-6]和工程措施[7-9]等.其中,生态修复技术得到了越来越广泛的应用.D renner等[10]对63种著作中的41项生物修复工程进行了统计,表明在小型湖泊中有超过61%的生物修复工程能够持续有效地改善水质.Tanner等[11]发现将表面流人工湿地和氧化塘间隔放置可以增加微型动物捕食和植物脱氮效率.Masaki等[4,12]构建了由浮游植物—浮游动物—鱼构成的生物模型,在短期内可以去除匈牙利巴拉顿湖水90%的藻类,在维持一定鱼生物量的情况下浮游植物可以得到长期、稳定的控制.

生物栅技术是一种新的生态修复技术,它利用植物、微生物、水生动物和底栖动物等生态要素的共同作用来实现生态修复功能,在有限的空间内富集较大的生物量,以达到快速、高效的处理效果[13,14].研究表明,生物栅技术对富营养化水体的污染物降解效果显著,COD、总氮、氨氮和总磷的去除率提高了20%～74%.水生植物有利于水体氮、磷的吸收和去除,ERIC-PCR指纹图谱分析显示,设置水生植物使得微生物丰富度提高[15].水生动物泥鳅在生物栅内部往来穿梭,可以促进水体在填料和根系空间的流动和交换,加速老化生物膜的脱落.同时,泥鳅肠道的吞氧过程也可以增进水面空气与水体的交换,直接将氧气运输到水底和填料密集的区域.泥鳅身体表面分泌的黏液中含有超氧化物歧化酶(SOD),可以增加生物的活性,促使生物栅的总体功能得到增强和优化[14].水力停留时间(HRT)为7.5 h的反应池填料生物膜指纹图条带数比 HRT为4 h的多,而根系生物膜上的微生物群落结构受HRT的影响小[16].在不进行人工曝气的条件下,生物栅主要处于微氧状态,DO维持在1.40～1.50 m g/L。生物栅的微氧状态有利于总有机碳的去除,特别是难降解有机物的去除,这对处理含有一定量难降解有机物的景观水体具有重要意义[17]。本文主要研究不同的填料类型及不同的曝气条件下,生物栅的运行效果及生物膜微生物群落结构的变化.

1 材料与方法

1.1 实验用水及实验装置

实验在上海市苏州河支流——丽娃河边进行.丽娃河是苏州河在华东师范大学中山北路校区内的一段.实验期间,丽娃河水为富营养化状态,水质如表1.采用9个并联反应池的中试规模装置,通过潜水泵汲取河水作为实验用水,连续进出水.

表1 实验期间丽娃河水水质分析Tab.1 Water quality during experimental period

实验装置为9个并联的推流式砖混结构反应池,前端设有平衡水箱(见图1)。平衡水箱前端设有格栅,末端布置溢流管和放空管,填料采用组合填料[18]、悬浮填料[19]和新型填料3种[20].

富营养化的实验河水通过潜水泵抽入平衡水箱,通过水箱上设置的管嘴流入反应池内.每个反应池有效体积为1.47 m3.填料置于不锈钢正方体框架内,填料框架置于净化池内,同时种植水生植物,各池设置穿孔U形管曝气充氧.

图1 生物栅中试装置平面示意图Fig.1 Sketch of reaction tanks

1.2 实验设计

实验设置2个工况,每个工况运行30 d,7个廊道并联运行(8号和9号反应池用于培养植物),连续进出水,处理水量6 m3·d-1.1号池为不加填料和植物的对照池,工况1中不加水生植物.工况2中水生植物为水花生,3,5,7廊道间歇曝气,2,4,6廊道不曝气.实验设计见表2.

表2 实验设计Tab.2 Design of Experiments

根据工况的运行情况,每天采样测定水样 CODCr、氨态氮和总氮,均采用标准法测定[19].

1.3 生物膜样品总DNA提取

在工况运行期间取净化池的生物膜样品,采用标准的CTAB-NaCl破壁,蛋白酶 K裂解,酚/氯仿/异戊醇抽提,提取总DNA,干燥,最后溶解于 TE缓冲液,具体参见文献[15].

1.4 ERIC-PCR指纹图谱分析

取样分析填料生物膜微生物群落结构变化,每个工况采样2次(在工况运行的第2天和工况结束的前1天),反应体系见文献[21],引物为 E1 5′-A TGTAAGCTCCTGGGGA TTCAC-3′;E2 5′-AAGTAA GTGACTGGGGTGAGCG-3′.

PCR反应条件[15].95℃预变性7 min,94℃变性1 min,52℃退火1 min,65℃延伸8 min,30个循环,65℃最后延伸16 min,4℃停止反应.1.2%质量浓度琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物,UV Ip ro凝胶成像仪照相、分析结果.

微生物群落多样性指数采用 Shannon-Weaver指数 (H′)表示,表达式为 H′=- ∑(ni/N)ln(ni/N).式中 N为所有波峰的面积,ni为每个波峰的面积.H′可反映种群内及种群间的遗传多样性分布和差异.

用Sorenson配对相似性系数(pairw ise similarity coefficient,Cs)比较生物膜微生物ERIC-PCR指纹图谱间的相似性,Cs=2 j/(a+b)×100.其中a是某一泳道生物膜微生物的ERIC-PCR指纹图谱的条带数目,b是另一泳道的 ERIC-PCR图谱的条带数目,j是在2种图谱中共享的条带数目.

2 结 果

2.1 污染物去除效果

生物栅净化系统对富营养化水体的处理效果见图2.图2的工况1和工况2中,采用3种不同填料的2～7号净化池对COD、总氮和氨氮的去除率远远大于1号对照池,表明填料作为微生物的载体对污染物去除有重要作用,其作用机制主要是填料对污染物的拦截及微生物的降解作用.

在0～29 d的运行过程中,各反应池的污染物去除率逐渐增大,第22天左右污染物去除率稳定,结合生物膜生物相的镜检观察,第20天左右生物膜成熟,工况运行稳定.

图2 污染物去除率Fig.2 Removal efficienciesof pollutants

图2的工况1A-C中,以第29天为例比较3种填料,2-7号反应池CODcr的去除率为68.2%～78.3%,氨氮的去除率为71.0%～79.3%,各反应池无显著差别.而总氮的去除,组合填料的效果最好,去除率平均为58.7%;新型填料次之,平均为52.0%,悬浮填料相对最差,平均为40.5%.间歇曝气有利于总氮的去除.相对来说,悬浮填料生物膜微生物相对处于好氧生境,有利于COD和NH+4的好氧氧化去除,而组合填料和新型填料的微生物处于相对厌氧和兼性厌氧的生境中,总氮去除率相对较高.

从图2的工况2A-C中可见,采用间歇曝气的3号、5号和7号反应池中污染物的去除率比未曝气的2号、4号和6号高.以第29天为例,CODCr去除率分别提高了5.9%,7.1%和8.7%,氨氮去除率分别提高7.3%,10.1%和9.4%,总氮也略有提高.曝气有利于好氧微生物的降解作用,COD和氨氮的去除率提高;间歇曝气有利于总氮的去除.

工况2中各污染物去除率低于工况1.工况2运行的时间在秋冬季节,环境温度较低,污染物去除率降低.同工况1相比,工况2设置了水生植物,生物栅中水生植物对污染的去除作用在课题组以前的文献中已有报道,李华芝[19]研究表明,设置水生植物对总氮和总磷的去除率相对于未设置水生植物的生物栅能提高17.6%～30.1%和10%～16.8%.

2.2 微生物群落ERIC-PCR遗传指纹图分析

2.2.1 工况1微生物群落ERIC-PCR遗传指纹图分析

图3为工况1运行期间2次采样的填料生物膜微生物 ERIC-PCR遗传指纹图谱.1号对照池由于没有设置填料,所以没有进行填料生物膜指纹图谱分析,图4的两个工况同理.

图3 工况1填料生物膜ERIC-PCR指纹图(单位:bp)Fig.3 ERIC-PCR fingerp rints of biofilms in the experiment one(Unit:bp)

由图3A可见,除第3条泳道有一条特殊的条带a外,其它5条泳道的主带基本一致,说明运行初期各反应池生物膜微生物的种群结构基本相似.这个阶段为填料挂膜阶段,生物膜还不成熟.

从图3B可看出,lane2-lane7的条带数较图A明显增多,这是系统稳定运行的阶段,填料挂膜结束,微生物种群丰富度提高.比照污染物去除情况,填料作为微生物载体,在增加了微生物生物量的同时可以提高微生物种群丰富度,改善微生物群落结构,提高污染物的去除效率.

图3B中,lane2和lane3的主条带基本相似(两个条带相似性系数为81.8%,见表3),而lane4-lane7 4条带之间的相似性系数均为100%(见表3),随着系统的稳定运行,填料生物膜带型分化成两大类型,悬浮填料为一大类型,组合填料和新型填料为另一类型.悬浮填料微生物处于相对好氧生境,有利于COD的好氧降解及氨氮的去除,组合填料和新型填料微生境复杂,包括厌氧和兼性厌氧环境,有利于总氮的去除.

表3 生物膜微生物ERIC-PCR指纹图谱相似性系数Tab.3 Csmatrix values of ERIC-PCR fingerp rints for bilfilm microbes %

2.2.2 工况2微生物群落ERIC-PCR遗传指纹图分析

图4为工况2填料生物膜的ERIC-PCR遗传指纹图谱.

图4A的种群丰富度高于图3A.工况2在工况1基础上,配置了水生植物水花生,为微生物提供了更多的氧气,有利于好氧微生物的生存和发挥作用.图4A中,同种类型的填料的相似性最高,2号和3号的相似性系数为88.9%,4号和5号为92.9%,6号和7号为81.2%.

图4B中,各泳道条带的位置和亮度都有明显的改变,主条带(相对较亮的条带)的数量也明显增加.随着系统的稳定运行,微生物群落结构趋于稳定,功能微生物成为优势种,降解作用增强.条带a与b是泳道3,5,6,7的共有条带,曝气的3号和5号条带数多于未曝气的2号和4号,但是6号和7号没有明显差别,二者的相似性系数达到98.7%.曝气有利于提高填料生物膜微生物的种群丰富度,提高污染物的去除效率(见图2C和D).

2.3 微生物群落多样性指数分析

以Shannon-Weaver公式计算的6个净化池生物膜样品在2个不同监测时期的 ERICPCR条带多样性指数分布,样品1为第2天采样,样品2为第29天采样,见图5.

图4 工况2填料生物膜样品的ERIC-PCR遗传指纹图谱(单位:bp)Fig.4 ERIC-PCR fingerp rints of biofilms in the experiment two(Unit:bp)

图5 微生物多样性指数Fig.5 Diversity index of microbial

图5 A显示,在工况1中,样品1的微生物多样性指数为1.66～1.86,样品2为2.09～2.25.在两次采样中,6个反应池中的微生物多样性指数变化不大,特别是在系统的运行后期,多样性指数都在2.0以上,表明系统中微生物种群趋于多样化,系统处于良好的稳定状态.

图5B显示,样品1中的微生物多样性指数为2.06～2.28,随着系统的运行,多样性指数显示出逐渐增大的趋势,样品2中的微生物多样性指数提高到2.19～2.43,且表现为曝气的3号,5号和7号反应池多样性指数比未曝气的2号,4号和6号大.

3 讨 论

采用的生物栅技术是一种新型的景观水体生态修复技术,将生物膜技术与水生植物相结合,利用植物、微生物和水生动物等生态要素共同完成生态修复功能.

悬浮填料、组合填料和新型填料拦截吸附污染物质,提供细菌和微型动物栖息的环境,形成的微生态系统共同完成污染降解及同化吸收功能,使得进水CODCr、总氮和氨氮的去除率较无填料的对照池分别提高了42.1%～52.2%,24.4%～47.8%和58.7%～71.4%.同时组合填料和新型填料更有利于拦截污染物和兼氧微环境的形成,总氮去除率较悬浮填料提高18.2%和11.5%.

所研究的富营养化水体的溶解氧在一天内成周期性变化[22].中午日照强,溶解氧较高,夜晚成微氧状态,同时植物根系的泌氧作用对水体的溶解氧水平的提高也作出了贡献[18],溶解氧水平的提高有利于COD和氨氮的去除,好氧与微氧状态的循环有利于总氮的去除.再加上植物根系对氮磷的吸收作用及填料对污染物的拦截作用,工况2中2,4,6号反应池在未曝气的条件下,COD去除率为33.8%～42.7%,总氮40.4%～43.5%,氨氮40.9%～50.1%.如果采用间歇曝气的方式,COD和氨氮的去除率都有所提高,总氮去除率提高较小(见图2B).采用间歇曝气的方式可以一定程度地提高系统污染去除效率.

ERIC-PCR指纹图谱分析结果表明,填料挂膜阶段,各反应池生物膜样品图谱条带数少,3种填料生物膜微生物种群结构基本相似,生物膜还不成熟.

随着系统的运行,填料挂膜结束,图谱条带数明显增多,3种填料生物膜微生物种群丰富度明显提高,微生物生态系统稳定,污染去除率提高.同时填料生物膜条带分化成两大类型,悬浮填料为一大类型,组合填料和新型填料为另一类型.悬浮填料微生物处理相对好氧生境,而悬浮填料和新型填料微生境复杂,包括好氧、厌氧和兼性厌氧等.

配置了水生植物水花生的工况2,填料生物膜的微生物种群丰富度较工况1有较大提高.工况运行初期,同种类型填料的相似性较高,稳定运行后,各泳道条带的位置和亮度都有明显的改变,主条带的数量也明显增加.随着系统的稳定运行,微生物群落结构趋于稳定,降解作用增强.曝气的3号和5号条带数多于未曝气的2号和4号,曝气有利于提高填料生物膜微生物的种群丰富度,提高污染物的去除效率.总之,随着系统的运行,填料生物膜微生物多样性指数显示出逐渐增大的趋势,表明系统中微生物种群趋于多样化,系统处于良好的稳定状态.

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Influences of aeration and packing types on the biofilm m icrobial commun ity of biological grid device

L IXiu-yan1, ZHANG Yan1, L IU Jun2, L IHua-zhi3

(1.Shanghai Key L aboratory for Urbanization and Ecological Restoration,East China N ormal University,Shanghai 200062,China;2.The Second Forest Reconnaissance and Designing Institute of Inner M ongolia,W ulanhaote Inner M ongolia 137400,China;3.Shanghai New Tokyo Group Com pany,Shanghai 200232,China)

X173

A

1000-5641(2010)04-0067-10

2009-07

国家重大科技专项(2008ZX07317-006);上海市自然科学基金(10ZR1409900)

李秀艳,女,副教授,主要研究方向为环境生物学应用技术.E-mail:xyli@des.ecnu.edu.cn.