最近，派森諾生物與杭州師范大學(xué)合作，在《Ecological Engineering》（最新影響因子:2.914）發(fā)表文章，探究磷酸鹽對(duì)高效厭氧系統(tǒng)性能和微生物群落的影響。
1. 研究背景
生活、農(nóng)業(yè)以及工業(yè)廢水中富含大量營養(yǎng)物種，如氮和磷，這對(duì)我們的環(huán)境水域健康造成了巨大影響。活性污泥處理污水的方法已有百年歷史，主要是利用懸浮生長的微生物絮體處理有機(jī)污水的一類好氧處理方法，但會(huì)在處理過程中損耗大量能源。目前厭氧氨氧化處理時(shí)提供能源有效利用率的最好方法之一，通過厭氧氨氧化工藝可以通過厭氧消化過程節(jié)約和回收有機(jī)物質(zhì)的能量，如甲烷。
磷去除是污水處理的主要指標(biāo)之一，通常，在除氮過程之后實(shí)施磷酸鹽回收的步驟，以便將磷酸鹽引入到基于厭氧氨氧化物的反應(yīng)器中。但實(shí)際廢水中磷酸鹽濃度是多種多樣的，而關(guān)于不同濃度磷酸鹽影響厭氧氨氧化反應(yīng)器的信息非常有限。因此，本研究的目的是調(diào)查磷酸鹽對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的短期以及長期影響，并獲得在不同磷酸鹽負(fù)荷程度下除氮效率以及微生物群落的變化趨勢(shì)。
2. 研究方法
測(cè)序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)
測(cè)序模式：微生物組16S rRNA基因V4區(qū)測(cè)序
樣本來源：污泥樣本
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)置兩個(gè)污泥厭氧氨氧化反應(yīng)器，試驗(yàn)組R1反應(yīng)器加入磷酸鹽處理，對(duì)照組R0不加入任何處理，檢測(cè)隨時(shí)間變化反應(yīng)器除氮效果，并在195天時(shí)各采集P與CK樣品進(jìn)行菌群多樣性組成譜檢測(cè)。
3. 研究結(jié)果
3.1 磷酸鹽對(duì)厭氧氨氧化過程的短期影響評(píng)估
圖a中將厭氧氨氧化顆粒與污泥絮體物作為研究對(duì)象，觀察不同濃度磷酸鹽對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的急速反應(yīng)，其中顯示當(dāng)磷酸鹽濃度在62與155 mg P/L時(shí)，絮體物對(duì)于厭氧氨氧化活性影響可提升超過20%，但當(dāng)磷酸鹽濃度高于620 mg P/L時(shí)，顆粒和絮體物的反應(yīng)活性均顯著抑制；圖b為磷酸鹽存在與否對(duì)于厭氧氨氧化活性動(dòng)力的影響，其中顯示當(dāng)反應(yīng)器中存在磷酸鹽，可以加強(qiáng)酶對(duì)底物的親和力，同時(shí)厭氧氨氧化顆粒表現(xiàn)出更好對(duì)于磷酸鹽表現(xiàn)除了更大的耐受性；圖c為不同形式的磷酸鹽對(duì)于反應(yīng)器的影響，其中主要取決于磷酸鹽的PH值，HPO42-在弱酸性條件下影響顯著，而H2PO4-在弱堿環(huán)境中主導(dǎo)抑制作用.
3.2 厭氧氨氧化反應(yīng)器的長期性能變化
除氮性能研究中，當(dāng)?shù)?fù)荷水平保持在11.2 kg TN m-3/d時(shí)，試驗(yàn)組與對(duì)照組初始除氮效率均在85%以上；在70天加入50 mg P/L濃度磷酸鹽時(shí)，NO3--N流出濃度兩者出現(xiàn)明顯變化，表明磷酸鹽有利于厭氧代謝反應(yīng)；當(dāng)196天將氮負(fù)荷水平增加至21 kg TN m-3/d時(shí)，對(duì)照組樣品顯示性能下降，而試驗(yàn)組的氮去除率依舊保持在80%以上，表明試驗(yàn)組樣品具有更大的除氮效力.
3.3 微生物群落組成與多樣性研究
多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示試驗(yàn)組樣品的多樣性及物種豐富程度均低于對(duì)照組樣品；另外從豐度>1%的各水平微生物類群統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，Proteobacteria與Acidobacteria豐度沒有顯著變化；同時(shí)添加磷酸鹽的試驗(yàn)組Brocadiae顯著降低，但Phycisphaerae顯著增加，這樣的物種變化趨勢(shì)在科分類單元中同樣出現(xiàn)。
3.4 代謝功能及代謝網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)
代謝功能預(yù)測(cè)結(jié)果顯示碳水化合物代謝與氨基酸代謝途徑豐度值高于其他代謝功能，表明這兩個(gè)代謝途徑的特殊重要性；另外試驗(yàn)組樣品能量代謝豐度要顯著低于對(duì)照組樣品，而膜轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)途徑豐度要顯著高于對(duì)照組；同時(shí)基于厭氧氨氧化顆粒物反應(yīng)器在進(jìn)行厭氧氨氧化的過程中也發(fā)揮著厭氧、發(fā)酵、脫氮等作用。
4 研究結(jié)論
當(dāng)磷酸鹽濃度在比較低的水平，即低于155 mg P/L時(shí)，可刺激厭氧氨氧化顆粒物與絮體物的厭氧氨氧化活性程度，但當(dāng)濃度高于310mg P/L時(shí)，便會(huì)抑制其活性。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)顆粒物受磷酸鹽脅迫的耐受性要高于絮體物，并且磷酸二氫鹽類在弱堿性環(huán)境下可抑制厭氧氨氧化反應(yīng)活性。總而言之，磷酸鹽對(duì)厭氧過程的短期影響取決于磷酸鹽濃度、pH值和微生物富集程度，另外，在195天的操作過程中，當(dāng)顆粒狀污泥反應(yīng)器的磷酸鹽水平從2到500 mg P/L逐漸增加時(shí)，沒有觀察到對(duì)脫氮性能的不利影響。雖然微生物群落多樣性和厭氧細(xì)菌的相對(duì)豐度呈降低趨勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)厭氧菌株并無顯著變化。因此，通過逐步馴化，顆粒狀厭氧氨氧化反應(yīng)工藝將在處理富銨和含磷酸鹽廢水方面具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
Zhang Z Z, Hu H Y, Xu J J, et al. Effects of inorganic phosphate on a high-rate anammox system: Performance and microbial community[J]. Ecological Engineering, 2017, 101:201-210.
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