不同价态铁处理腈纶废水过程中菌群结构分析

谢慧娜,王亚娥,李 杰,赵 炜,嵇 斌



不同价态铁处理腈纶废水过程中菌群结构分析

谢慧娜,王亚娥*,李 杰,赵 炜,嵇 斌

(兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070)

利用不同反应器条件(SBBR、Fe(0)-SBBR、Fe(Ⅱ)-SBBR、Fe(Ⅲ)-SBBR)对腈纶废水进行处理,探究不同价态铁对腈纶废水处理过程及此过程中微生物群落结构变化.结果表明,Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR对腈纶废水有良好的处理效果,特别是NH4+-N,去除率均在90%以上;整个运行周期内Fe(0)-SBBR处理效果最好.利用Illumina MiSeq高通量测序技术分析处理过程中微生物群落结构,结果表明,Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR优势菌在属水平上差异显著,Fe(0)-SBBR主要以、、、等属为主;Fe(Ⅱ)-SBBR主要以、、、等属为主;Fe(Ⅲ)-SBBR主要以、、、等属为主;与对照组SBBR相比,Fe(0)-SBBR对其处于相对劣势的菌有很好的刺激生长作用;Fe(0)和Fe(Ⅲ)对微生物群落的改变大于Fe(Ⅱ).

不同价态铁；Illumina MiSeq高通量测序；腈纶废水；微生物群落结构

腈纶废水污染物浓度高、成分复杂,是公认的难处理有机废水之一.主要成分包含腈类、烷烃、芳烃、苯酚、丙烯酸甲酯、硫醇、N,N-二甲基乙酰胺、甲基烯丙基磺酸钠等[1-2].故废水处理常用的活性炭吸附、离子交换、电化学等方法,都难以实现腈纶废水中有机物降解.目前,大部分处理方法主要集中在高级氧化技术预处理和生化处理的组合上[3-4].尤其是腈纶废水的生物处理法已从实验室规模研究扩展到全面的废水处理厂中.

铁能够促进细菌内部酶活性、电子传递、质子传递及细胞色素合成等,越来越多学者将不同价态的铁应用到废水生物处理中.如,Kong等[5]将零价铁(ZVI)投加到SBAR反应器中,好氧污泥颗粒化得到有效增强;同时王亚娥等[6]处理腈纶废水时发现Fe0更有利于生长;Zhen等[7]研究发现厌氧氨氧化反应器的启动时间随Fe(Ⅱ)浓度的升高而大大缩短; Zhang等[8]将Fe(III)添加到MEC厌氧反应器后,有机物降解显著增强.微生物作为生物法体系的主体,决定着整个系统的处理效果,污水处理性能的稳定运行与其中的微生物群落的结构和功能动态变化密不可分.所以仅仅研究工艺对废水的处理效果是不够的,有必要对处理过程中的生物群落进行控制和优化.

目前,铁与微生物协同处理废水多数都集中在理化指标和酶活性的研究上[9],分子水平的研究也仅局限于单一价态的铁[10-11],而不同价态铁在废水处理中微生物群落结构分析鲜有涉及.课题组将铁应用到腈纶废水生物处理中虽已有大量研究[6,12-13],但都局限在工艺或理化指标上,尚未开展微生物机理探究.本文将不同价态铁置于SBBR反应器中来处理腈纶废水,采用Illumina高通量测序技术从分子水平来分析不同价态铁在腈纶废水生物处理中微生物群落结构.本研究的结果不仅可以为铁与微生物协同处理废水的微生物研究提供数据参考,同时为腈纶废水的实际工程优化提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 实验装置

同时启动4个有效容积为4.5L的SBBR反应器,运行条件见表1.以未投加铁的SBBR反应器为对照组,周期为48h,试验过程中DO和pH值根据试验条件进行变化,MLSS控制在2000mg/L左右.4个反应器进水均为吉林奇峰化纤股份有限公司污水处理厂调节池出水,平均进水水质:pH(7.15±0.65)、COD(790±170)mg/L、氨氮(120±20)mg/L、总氮(131±21)mg/L、BOD5(220±60) mg/L.

表1 反应器运行条件

1.2 高通量测序分析方法

DNA提取与PCR扩增:分别取稳定运行期各反应器中污泥混合液,采用OMEGA公司的土壤 DNA试剂盒提取4个样品DNA.分别以4个样品基因组DNA为模板,对细菌16S rRNA基因V4区进行PCR扩增,引物520F:5¢-AYTG GGYDTAAAGN G-3¢,802R:5¢-TACNVGGGTATCTAATC C-3¢.PCR条件:98℃ 5min,变性(98℃ 30s),退火(50℃ 30s),延伸(72℃ 30s),72℃总延伸5min,扩增产物4℃保存.PCR扩增反应结束后,2%琼脂糖凝胶电泳检测.检测后样品DNA送至上海派森诺生物科技有限公司进行Illumina MiSeq高通量测序.

测序数据优化:为了保证结果的准确性,对有效序列进行过滤和去除嵌合体处理.运用QIIME进行序列过滤,运用Mothur去除嵌合体序列,得到用于后续分析的优质序列.

微生物群落结构和多样性分析:利用Uclust对优质序列进行97%相似水平上分类(OTU),并与 Greengenes和RDP数据库比对.利用 Mothur计算丰富度指数(Chao指数和ACE 指数)、多样性指数(Shannon指数)及样本间OTU维恩图.利用QIIME进行分类等级划分(门、属)及PCoA分析.

2 结果与讨论

2.1 腈纶废水处理效果

实验连续测定了18个运行周期内SBBR及Fe(0)/ Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR反应器出水COD、NH4+-N、TN浓度,结果如图1所示.

由图1可知,在1~18d,反应器处于启动期,尽管进水波动较大,但各反应器出水COD均呈现持续降低趋势,18d之后,各反应器出水指标基本稳定.说明反应器启动完成.

对照组SBBR和Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR对COD的去除率在50%~60%之间,效果差异显著(< 0.05),可明显观察到整个运行周期内Fe(0)-SBBR处理效果最好.一方面,海绵铁作为一种特殊的零价铁,自身作为载体为微生物提供更充足优异的空间繁殖,达到对有机物强化去除效果[16];另一方面,海绵铁具有还原性,能够直接还原部分有机物,且海绵铁经腐蚀会形成一个Fe2+和Fe3+电化学平衡环境,适量的铁离子可提高污泥活性,提高反应器处理效率[17].此外,Fe2+能够作为还原剂与有机物反应,在一系列反应过程中还能够产生活性氧化物,还原氧化降解腈纶废水中有机物;Fe2+和Fe3+水解产物具有絮凝作用[6],能够沉淀去除污染物.故零价铁处理效果相对更好.对照组SBBR和Fe(Ⅱ)-SBBR在稳定运行期COD浓度曲线出现多次近乎重合现象.这是因为Fe2+在中性有氧条件下,极易被氧化成Fe3+,但其作用效果远不及单一Fe3+体系,故与对照组SBBR处理效果更接近.

在对NH4+-N去除中,各反应器启动期出水浓度波动幅度很大,稳定期去除率在92%~97%之间,效果差异显著(<0.05).TN去除中,各反应器启动期出水浓度有一定波动,但整体呈现降低趋势,稳定期去除率在47%~56%之间,效果差异显著(<0.05).氨氮和总氮的降解中,整体仍是Fe(0)-SBBR去除效果最好,稳定期SBBR和Fe(Ⅱ)–SBBR较接近.铁离子对硝化反应具有一定的促进作用[18],但Fe3+混凝沉淀物会附着在污泥表面阻碍微生物代谢生长,而零价铁能够集电化学、水解、Fenton反应于一体,始终处在一个化学动态平衡中,同时与微生物协同作用,使得Fe(0)-SBBR体系始终处在一个高活性状态下,强化去除效果.

2.2 微生物分析

2.2.1 微生物群落丰富度和多样性 利用Illumina MiSeq高通量测序技术,对各反应器样品序列进行过滤和去除嵌合体后共得到37662条优质序列.在97%相似性水平划分原则下,所有样品得到的序列可以划分为426~574个OTUs.样品OTU分类结果及多样性指数见表2.

表2 微生物群落的丰富度和多样性指数

ACE指数和Chao指数是反映微生物种群丰度的2个指标,其数值越大说明样品中的种群越丰富.从表2可以看出,相似度97%时,Chao指数和ACE指数反应的丰度情况均为:SBBR>Fe(Ⅲ)-SBBR> Fe(Ⅱ)-SBBR>Fe(0)-SBBR,与OTUs基本一致.说明在腈纶废水处理过程中,部分本土微生物受到铁的抑制,微生物丰度降低,这与Wu等[19]研究中纳米铁的添加可能会减少微生物种群的丰度结果相一致.香农(Shannon)指数反应了微生物多样性,指数越大多样性越高.本研究中,Shannon指数SBBR> Fe(Ⅲ)-SBBR>Fe(Ⅱ)-SBBR>Fe(0)-SBBR,即对照组SBBR污泥样品多样性最高,而Fe(0)-SBBR样品多样性最低.

2.2.2 微生物群落相似性和差异性分析 本研究通过Venn图和PCoA分析来阐明样品间的相似性及差异性,结果如图2所示.

对照组SBBR和Fe(0)/ Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR共有170个OTUs,分别占各自总OTUs的比例分别为30%、40%、32%、31%,说明这部分微生物不受铁元素影响,一直能够在各个反应器中生存,原因可能是其进水水质相同,而水质特点是影响微生物结构的最主要因素[20-21].170个共有OTUs中相对丰度排在前五的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria, 47.1%)、浮霉菌门(Planctomycetes,21.8%)、拟杆菌门(Bacteroidetes,7.6%)、绿弯菌门(Chloroflexi,5.3%)和酸杆菌门(Acidobacteria,3.5%).每个样品中独有的OTUs分别占各自总OTUs的比例分别为18%、15%、18%、11%,铁的添加改变了微生物原有生存环境,菌群对生境做出响应,形成各自独有的菌落.对照组SBBR和Fe(Ⅱ)-SBBR样品中共有62个OTUs,较其它两两样品间共有OTUs都大,说明其样品微生物群落结构相似性相对较高.由图2 (b) PCoA分析可知,Fe(0)-SBBR与其它样品微生物群落结构差异较大,对照组SBBR与Fe(Ⅱ)-SBBR微生物群落结构较相似,这与维恩分析结果相一致.

2.2.3 污泥微生物群落结构分析 (1) 门水平上的组成和丰度:如图3所示,对照组SBBR和Fe(0)/Fe(Ⅱ)/ Fe(Ⅲ)-SBBR主要优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria),此6个门总的相对丰度分别为87.7%、84.6%、93.7%、90.9%.这与文献中报导的污水处理微生物菌落研究结果一致[22-23].在对照组SBBR和Fe(Ⅱ)-SBBR体系中,Proteobacteria是相对丰度最大的菌门,占细菌总数的比例分别为32.1%、54.7%,Proteobacteria在氨氮去除和亚硝酸盐积累及有机物去除中扮演着重要角色[24-25],这可能是反应器运行中硝化和反硝化发生及废水COD降低的主要原因.在Fe(0)-SBBR 和Fe(Ⅲ)-SBBR体系中,Proteobacteria相对丰度减少,在脱氮过程中发挥着关键性作用的Planctomycetes快速繁殖[26],相对丰度达到36.2%和30.4%.在Fe(0)-SBBR中,Bacteroidetes受Fe(0)刺激增长较快,对系统脱氮具有很好促进作用[27],然而Firmicutes和Actinobacteria受Fe(0)毒害作用较大,相对丰度减少至0.5%和1.6%.此外,在对照组SBBR和Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR中,Acidobacteria能够降解多种有机物[28-29],但在加铁体系中其相对丰度都明显降低,可见腈纶废水处理过程中Acidobacteria对铁的耐受性较差.

图3 微生物群落在门水平组成和相对丰度(>1%)

图4 微生物群落在属水平组成和相对丰度

(2)属水平上的组成和丰度:从4组样品共307个菌属中选择相对丰度排在前25的菌属进行分析,结果如图4所示.在对照组SBBR中,相对丰度较高的菌属有:(16.7%)、(7.3%)、(6.9%)、(4.4%)、(4.3%)、(3.4%)、(3.1%).其中,是对高分子聚合物有特殊降解能力的细菌[30],在 Fe(0)/Fe(Ⅱ)/ Fe(Ⅲ)-SBBR中相对丰度分别为9.4%、9.9%、6.9%,铁对其有一定的毒害作用,但在3组样品中仍是相对优势菌属,猜测其对腈纶废水中聚合有机物有特殊降解能力.在Fe(Ⅱ)- SBBR中,除与对照组SBBR相同的优势菌外,(6.9%)、(5.2%)、(5.1%)、(4.5%)繁殖为新的优势菌属.其中,为亚铁氧化菌[31],可见Fe2+能够刺激铁氧化菌快速增长;能氧化NH4+为 NO2[32],是多数废水处理中主要的脱氮菌,本研究中只在Fe(Ⅱ)-SBBR中具有良好的繁殖特性.在Fe(Ⅲ)-SBBR中,相对丰度最高,占细菌总数的12.6%,成为体系中最优菌.具有良好的脱氮作用,为Fe(Ⅲ)-SBBR反应器对氮的去除提供强大支撑.

在Fe(0)-SBBR中,虽然相对丰度较高的细菌与对照组SBBR有一定重合,但优势菌属仍存在明显差异,主要菌属有(11.7%)、(11.3%)、(9.4%)、(6.3%)、(5.3%)、(4.5%)、Pirellulaceae(3.8%)、Cytophaga(3.7%)、(3.0%).和能够利用有机碳和氮生长繁殖[33],从而达到去除污染物的目的,是对照组和Fe(Ⅱ)-SBBR中相对丰度的5倍,这可能是Fe(0)-SBBR反应器较好出水效果的主要贡献者.、、、、在其余3组样品中都处于劣势菌群,这些菌多数与有机物的降解和硝化反硝化过程有关,可见Fe(0)的存在对优势菌属起到很好的筛选作用.

与对照组SBBR比较可知,在25个菌属中, Fe(0)/ Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR分别有11、9、12个细菌受到促进相对丰度增加,分别占各细菌总数比例为53.7%、43.5%、55.1%,受到抑制相对丰度减少的菌分别有13、15、12个,分别占各细菌总数比例为21.7%、28.2%、21.2%.Fe(Ⅱ)-SBBR中个别细菌生长较快,但整体菌群结构与对照组SBBR差异较小,Fe(0)-SBBR中一些在对照组SBBR中处于相对劣势的菌则受到更多促进生长.这表明,Fe(0)和Fe(Ⅲ)对微生物群落的改变大于Fe(Ⅱ),继而强化实际腈纶废水处理效果.

3 结论

3.1 Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR对COD、NH4+-N、TN的去除率分别在50%~60%、92%~97%、47%~56%之间;整个运行周期内Fe(0)-SBBR处理效果最好,说明零价铁体系对腈纶废水具有更好的处理效果.

3.2 Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR优势菌,在门水平上相似,但在属水平上差异显著;Fe(0)-SBBR主要以Gemmata、Planctomyces、Aridibacter、Fluviicola等属为主;Fe(Ⅱ)-SBBR主要以Thermomonas、Aridibacter、Bacillus、Paracoccus等属为主; Fe(Ⅲ)-SBBR主要以Planctomyces、Bacillus、Nostocoida、Aridibacter等属为主;其中,Aridibacter对腈纶废水中聚合有机物可能有特殊降解能力.

3.3 Fe(0)-SBBR对对照组SBBR中处于相对劣势的菌有很好的刺激生长作用;Fe(0)和Fe(Ⅲ)对微生物群落的改变大于Fe(Ⅱ).

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Analysis of microbial community structure in acrylic fiber wastewater treated by different valence forms of iron.

XIE Hui-na, WANG Ya-e*, LI Jie, ZHAO Wei, JI Bin

(School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)., 2018,38(9)：3406~3412

Different reactors (SBBR, Fe(0)-SBBR, Fe(Ⅱ)-SBBR, Fe(Ⅲ)-SBBR) were employed in this paper to investigate the treating processes of acrylic fiber wastewater by different valence forms of iron as well as the variation of microbial communities during these processes. The results showed that acrylic fiber wastewater was well treated by Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR, especially the removal rate of NH4+-N was above 90%. And, the Fe(0)-SBBR worked best throughout the entire operating cycle. Illumina MiSeq high throughput sequencing was also utilized to analyze the structure of microbial communities during the processes. It was found that the dominant bacteria were significantly different at the genus level between Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR systems.、、、were the dominant genera in Fe(0)-SBBR.、、、were the dominant genera in Fe(Ⅱ)-SBBR.、、、were the dominant genera in Fe(Ⅲ)-SBBR. Compared with control group SBBR, Fe (0)-SBBR could strongly stimulate the growth of bacteria which were at a relative disadvantage. Moreover, the change of microbial community by Fe (0) and Fe (Ⅲ) were greater than that by Fe (Ⅱ).

different valence forms of iron；illumina miseq high throughput sequencing；acrylic fiber wastewater；microbial community structure

X703

A

1000-6923(2018)09-3406-07

谢慧娜(1988-),女,河南漯河人,兰州交通大学博士研究生,研究方向为水污染控制.发表论文3篇.

2018-01-28

国家自然科学基金资助项目(51468030)

* 责任作者, 教授, wye@mail.lzjtu.cn