2017-09-20
近期，派森諾生物與山東大學(xué)合作，在《Water Research》（影響因子6.942）發(fā)表論文，通過研究不同強(qiáng)度磁場處理下，SBR反應(yīng)器中活性污泥的生理生化特性和細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)變化，探究磁場強(qiáng)度對短程硝化的影響。
研究背景
作為一種節(jié)能的新型生物脫氮技術(shù)，短程硝化—反硝化工藝因具有節(jié)省氧氣供應(yīng)量、減少碳消耗、削減剩余污泥產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)，而受到越來越廣泛的關(guān)注。短程硝化是指通過增強(qiáng)氨氧化細(xì)菌（AOB）的活性或增加其豐度、抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的生長，使硝化過程處于亞硝酸鹽階段。目前控制方法主要集中于改變EO、pH值、溫度、游離氨濃度、污泥齡等工藝運(yùn)行參數(shù)。在維持短程硝化的同時(shí)，也伴隨著工藝成本的增加。
研究表明，外加磁場和生物體自身的磁場均能對生物體代謝產(chǎn)生影響，即生物磁效應(yīng)。在合適的強(qiáng)度范圍內(nèi)，磁場可增強(qiáng)酶活性，提高反應(yīng)速率，促進(jìn)微生物的生長和代謝。研究發(fā)現(xiàn)，磁場對活性污泥的氧利用率和硝化細(xì)菌的活性有強(qiáng)化作用。因此，研究附加磁場對反應(yīng)器短程硝化作用具有重要意義。
研究目的
1． 探究不同磁場強(qiáng)度對短程硝化的影響；
2． 探究不同磁場強(qiáng)度對細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)的影響。
研究方法
測序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細(xì)菌16S rRNA V4區(qū)測序
實(shí)驗(yàn)對象：由采自好氧池的活性污泥、磁鐵、SBR裝置組成的SBR反應(yīng)器
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：磁場強(qiáng)度通過調(diào)節(jié)磁鐵與反應(yīng)器中心的距離大小來實(shí)現(xiàn)。其中，r0、r5、r10、r15、r20和r25用于探究短程硝化的磁場強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；CK和M用于SBR反應(yīng)器短程硝化的啟動(dòng)與暫停實(shí)驗(yàn)；RCK、R5mT和R25mT用于高通量測序。
組名 | 處理方式 | 組名 | 處理方式 |
r0 | 無磁場附加 | CK | 無磁場附加 |
r5 | 附加磁場強(qiáng)度為5mT | M | 附加磁場強(qiáng)度為5mT |
r10 | 附加磁場強(qiáng)度為10mT | RCK | 無磁場附加 |
r15 | 附加磁場強(qiáng)度為15mT | R5mT | 附加磁場強(qiáng)度為5mT |
r20 | 附加磁場強(qiáng)度為20mT | R25mT | 附加磁場強(qiáng)度為25mT |
r25 | 附加磁場強(qiáng)度為25mT |
研究結(jié)果
1.短程硝化磁場強(qiáng)度
在短程硝化（PN）過程中，亞硝酸鹽與銨鹽的比值越大，表明硝化作用越強(qiáng)，反之越弱。不同磁場強(qiáng)度下，亞硝酸鹽與銨鹽的比值隨時(shí)間的變化曲線如下圖所示。結(jié)果表明，磁場的存在對短程硝化具有顯著影響，磁場強(qiáng)度為5mT時(shí)，硝化作用強(qiáng)；然而，隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)，硝化作用越來越弱。由此可知，短程硝化的磁場強(qiáng)度為5mT。
2.弱磁場對反應(yīng)器中短程硝化的影響
本實(shí)驗(yàn)采用序批式活性污泥法（SBR），通過控制進(jìn)水氨氮濃度及水力停留時(shí)間（HRT），將實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段。以出水氨氮、出水亞硝氮及出水硝氮的濃度隨時(shí)間的變化作為衡量指標(biāo)，對弱磁場（5mT）作用下和無磁場作用下反應(yīng)器中的短程硝化進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，弱磁場可增強(qiáng)短程硝化作用，且能夠縮短短程硝化啟動(dòng)時(shí)間。
3.不同磁場強(qiáng)度下短程硝化過程中的氮轉(zhuǎn)化
對第40天的弱磁場（5mT）和無磁場SBR反應(yīng)器中的pH值、溶解氧（DO）、銨鹽及亞硝酸鹽的濃度進(jìn)行測定，并計(jì)算反應(yīng)器中游離氨的比例。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，游離氨在酸性環(huán)境中的含量少；弱磁場處理組（M）的氮轉(zhuǎn)化能力比無磁場組（CK）強(qiáng)。
4．不同磁場強(qiáng)度對AOB和NOB的比耗氧速率的影響
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在弱磁場作用下氨氧化細(xì)菌（AOB）的比耗氧速率（SOUR）是無磁場作用下的2.38倍；而亞硝酸氧化菌（NOB）的比耗氧速率（SOUR）在弱磁場處理組較無磁場處理組低。由此可見，弱磁場會(huì)增強(qiáng)AOB的活性，而降低NOB的活性。
5．磁場對短程硝化相關(guān)菌群組成的影響
對5mT弱磁場處理組（R5mT）、25mT強(qiáng)磁場處理組（R25mT）及對照組（RCK）的樣本進(jìn)行高通量測序，共獲得202443條高質(zhì)量序列，劃分到546個(gè)OTU。韋恩圖結(jié)果顯示，三組樣本共有OTU數(shù)為264個(gè)，分別有53、55、13個(gè)OTU為RCK、R5mT、R25mT特有。
三組樣本在門、綱、科、屬水平上的物種分布組成具有顯著差異。常見的AOB在分類學(xué)上屬于Proteobacteria門、Betaproteobacteria綱、Nitrosomonadales目、Nitrosomonadaceae科。在門水平，Proteobacteria的相對豐度為R5mT>RCK>R25mT；在綱水平，Betaproteobacteria的相對豐度為R5mT>RCK>R25mT；在目水平，Nitrosomonadales的相對豐度為RCK>R5mT>R25mT；在科水平，Nitrosomonadaceae的相對豐度為RCK>R5mT>R25mT。結(jié)果表明，磁場的附加并未顯著提高AOB的菌群豐度，相反地，磁場越強(qiáng)，AOB的豐度值越小。
功能基因預(yù)測分析結(jié)果顯示，大多數(shù)功能基因的豐度隨著磁場強(qiáng)度的增大而下降，而一些參與信號傳導(dǎo)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和膜運(yùn)輸?shù)墓δ芑蛟谌醮艌鼋MR5mT中的豐度顯著高于其他兩組。
總結(jié)
本文通過研究不同強(qiáng)度磁場處理下硝化反應(yīng)器中活性污泥的生理生化特性及菌群結(jié)構(gòu)變化，探究不同磁場強(qiáng)度對反應(yīng)器短程硝化的影響，并得到以下結(jié)論：弱磁場對短程硝化具有良好地促進(jìn)作用；磁場的附加顯著降低了細(xì)菌的多樣性；弱磁場對參與信號傳導(dǎo)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和膜運(yùn)輸?shù)墓δ芑虮磉_(dá)具有促進(jìn)作用；弱磁場通過提高AOB中游離氨的比例來增強(qiáng)AOB活性，而不是通過增加AOB的菌群豐度。
本研究的測序和數(shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：Wang, Zhibin, et al. "Weak magnetic field: A powerful strategy to enhance partial nitrification." Water Research 120 (2017): 190-198.
點(diǎn)擊鏈接，閱讀原文：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135417303263
