废水硫自养反硝化的电子供体与功能基因研究进展

包丽婧,陈东辉,朱艳彬,包茵舟,黄满红,2,*

(1.东华大学环境科学与工程学院,纺织行业污染治理与减排技术重点实验室,上海 201620;2.上海污染控制与生态安全研究院,上海 200092)

图1 硫自养反硝化近20年发表论文数量(Web of Science)

目前,国内外对于硫自养反硝化电子供体及功能基因的研究进展较少,本文综述了自养反硝化中3种常见的电子供体,对相关的功能基因和功能酶进行了阐述,以期为未来高效绿色反硝化处理提供参考。

1 硫自养反硝化的电子供体

表1 不同硫源进行反硝化的反应式

1.1 S0

注:Sb为生物可利用性硫。

1.2 S2-

注:SADB为硫自养反硝化菌;HDB为异养反硝化菌;EB为产电菌;FAB为兼性自氧菌。

表2 不同电子供体用于反硝化的成本

2 硫自养反硝化微生物

2.1 硫自养反硝化主要菌属

最常见的硫自养脱氮微生物主要是Thiobacillus(脱氮硫杆菌属)和Sulfurimonas(硫单胞菌属),表3列举了几种常见的反硝化优势菌属以及它们能够利用的电子供体。

表3 硫自养反硝化微生物和主要的电子供体

2.2 硫自养反硝化细菌环境影响因子

冬天较低的温度会显著降低脱氮的效果,从而限制硫自养反硝化的应用。Hao等[26]将S0自养生物膜接种到15 ℃的低温条件下进行试验,发现由于微生物在低温下产生了紧密结合的胞外聚合物(EPS),其中蛋白质含量的增加能够保护微生物免受低温影响,使得整个反应对低温的适应能力更强,脱氮性能更优。Vackov等[41]培养出了一种能够在10 ℃以下进行反硝化的混合菌种,并且取得了较好的反硝化效率。越来越多的研究拓宽了硫自养反硝化的应用范围,使得低温高效脱氮成为可能。

3 反硝化代谢途径功能基因

图5 反硝化过程中硫和氮的转化途径过程

硫氧化过程为反硝化过程提供电子供体,随着nap基因和硝酸还原酶(Nar)被识别,硝酸盐转化为亚硝酸盐,接着由nir基因编码的亚硝酸盐还原酶(Nir)将亚硝酸盐还原为NO,因此,这类微生物有减少亚硝酸盐的能力。一氧化氮还原酶(Nor)和一氧化二氮还原酶(Nos)也是自养反硝化过程中重要的功能酶。表4列举了与反硝化相关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的丰度在硫自养反硝化过程中也会对反硝化去除率产生一定的影响[9,43-44],S2-通过生物电化学过程部分氧化为S0,随后氧化为硫酸盐,在这过程中sox基因的丰度明显增加,从而促进反应快速进行。

表4 反硝化与硫氧化相关的功能基因

然而硫自养反硝化也存在着一些缺陷,研究[45]发现,硫驱动的自养反硝化会使系统pH降低,当pH较低时,会严重抑制nirS和nirK型反硝化菌,含nosZ的反硝化菌的转录活性和生长也会受到影响,从而对反硝化造成不良影响,投加石灰石、牡蛎壳和碳酸氢钠提供碱度,能够平衡这种影响。此外,S2-具有生物毒性,会影响微生物的活性,S2-会使细胞质中的细胞色素c(CytC)变性,阻碍细胞色素c传递电子,影响末端的氧化酶进行反硝化脱氮。因此,在用S2-为电子供体前需要对微生物进行驯化,不断提高微生物对于S2-毒性的耐受。

为了更好地发展和深入对反硝化代谢功能基因的研究,以确定功能性微生物在脱氮脱硫系统中的作用和相互作用,通常使用梯度凝胶电泳、基因高通量测序、宏基因组学、聚合酶链反应(PCR)(表5)等现代分子生物学手段[46]。

表5 反硝化相关功能基因的PCR引物

反硝化功能基因是脱氮过程的关键参与者,有效管理这些功能基因以实现工艺的可靠和可持续运行,通过对特定功能基因的设计有助于提高反硝化系统的效率和稳定性。随着对硫自养反硝化微生物功能基因研究的逐渐深入,将发现更多新的功能微生物群落和新的功能基因,有助于增强对反硝化相关过程的理解,并为系统设计提供有效、可靠和预测性的信息。

4 结论和展望

本文总结了自养反硝化过程中硫源电子供体的氧化过程及自养反硝化的主要菌种,并在此基础上分析了反硝化代谢过程中功能基因和功能酶的作用形式,以期为硫自养反硝化的实际应用和改进提供参考。未来的研究与发展重点应包括以下内容。

(1)硫自养反硝化中的微生物强化研究。继续深入对自养反硝化微生物作用机理的研究,通过投加特定的菌剂、基因增强等生物强化法以使硫自养微生物更好地利用硫源进行高效反硝化。

(2)异养和自养反硝化混合营养形式。实际处理中投加少量碳源以增加碱度,通过有机碳刺激硫的转化,多种电子供体协同作用能够实现高效的脱氮,降低出水硫酸盐浓度和出水硬度。

(3)硫自养反硝化与其他工艺耦合。随着对水质处理要求的提高和对低碳低能耗的要求,越来越多的研究聚焦于硫自养反硝化与其他工艺耦合,硫自养-人工湿地、硫自养-电化学、硫驱动脱硝-厌氧氨氧化耦合都具有良好的应用前景,采用这些耦合工艺,能够充分利用中间产物,提高实际可行性。