pH盐度对微生物还原硫酸盐的影响研究吴文菲

第5卷第11期环境工程学报Vol．5，No．112011年11月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringNov．2011pH、盐度对微生物还原硫酸盐的影响研究吴文菲1刘波1李红军2李松1陈泽智1*(1．南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，南京210093;2．中环(中国)工程有限公司，南京210008)摘要采用厌氧生物处理工艺，研究了在不同盐度下pH连续降低对硫酸盐还原和有机物去除率的影响。实验结果表明，硫酸盐还原菌有很强的适应pH变化的能力，在pH值达到4以下仍有60%的硫酸盐去除率。NaCl浓度由4g/L增加到50g/L抑制了各厌氧菌的活性，导致硫酸盐和有机物去除率的下降，但硫酸盐还原菌耐受性高于产甲烷菌等其他厌氧菌，在NaCl浓度为50g/L下，硫酸盐去除率能达到50%，而有机物去除率则低于30%。qRT-PCR表明了系统菌落中SRB随着环境的变化情况与化学指标结果相一致，该反应器体系中SRB在整个厌氧菌群落中只占了很小部分。关键词硫酸盐还原菌pH盐度实时定量PCR中图分类号X703文献标识码A文章编号1673-9108(2011)11-2527-05EffectofpHandsalinityonsulfatereductionbymicroorganismWuWenfei1LiuBo1LiHongjun2LiSong1ChenZezhi1(1．NationalKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse，SchooloftheEnvironment，NanjingUniversity，Nanjing210093，China;2．GCLEngineeringLimited，Nanjing210008，China)AbstractInordertoinvestigatetheeffectsofsalinityandpHonsulfatereductionandCODremoval，ananaerobictechnologywasused．Theresultindicatedthatsulfatereductionefficiencycouldstillreach60%evenwhenpHunder4，andtheSRBhadthestrongadaptabilitytopH．TheincreaseininfluentNaClconcentrationfrom4g/Lto50g/Linhibitedtheactivityofallanaerobeandresultedinthedecreaseofthesulfatereductionef-ficiencyandCODremoval．ThesulfateandCODremovalrateswere50%andlessthan30%，respectivelywhenNaClconcentrationwas50g/L．TheresearchrevealedthattheSRBhadhighertolerancetosalinitythanmeth-anogenandotheranaerobe．TheresultshowedthatbyquantitativerealtimePCRwasconsistentwiththesulfatereductionandCODremoval，atthesametime，italsoshowedthattheproportionofSRBinthegeneralcommuni-tyoccupiedalittlepart．Keywordssulfate-reducingbacteria(SRB);pH;salinity;quantitativerealtimePCR(qRT-PCR)基金项目:水处理与水环境修复教育部工程研究中心开放课题基金项目(WTWER0719)收稿日期:2010－05－27;修订日期:2010－06－23作者简介:吴文菲(1985～)，女，硕士研究生，主要从事水污染控制工程研究工作。E-mail:[e-mail]*通讯联系人，E-mail:[e-mail]造纸、发酵、皮革及部分化工行业排放大量富含硫酸盐的高浓度有机废水［1-3］，这些废水往往还伴随着高浓度的金属离子、溶解性无机盐及低酸性条件［4］。若这些废水直接排放会造成陆地、海洋等生态系统大面积的污染［5，6］。在众多处理工艺中，生物处理以其高负荷率、低能耗和低运行费等突出优越性而日渐成为采用的首选工艺。厌氧生物处理就是利用硫酸还原菌群(SRB)以有机物为电子供体，硫酸盐为电子受体将硫酸盐还原代谢为硫化物的过程［7］。SRB可利用基质广泛、生长速度快且具有某些特殊的生理性质，因此，SRB有很强的生存能力和适应环境变化的能力［6］。研究表明，即使在pH为3．5的酸性条件下SRB仍能存活［4］，利用SRB处理修复酸性矿山废水的可行性已经被认可［5］，但能成功应用的例子还是很少。而废水中含盐量的增加使污水治理条件更加苛刻，高盐浓度增加了细胞渗透压，抑制了微生物各种代谢酶的活性使其失去降解污染物的能力。钠盐对产甲烷厌氧消化过程影响的研究已经十分广泛［8］，但对硫酸盐还原菌代谢影响的研究还很少。本实验研究了在低盐与高盐条件下，pH降低过环境工程学报第5卷程对厌氧反应器处理硫酸盐废水的影响，并利用qRT-PCR对SRB在厌氧反应器中数量的变化进行探讨，为经济有效处理酸性废水及含盐废水等提供进一步的研究思路。1材料与方法1．1实验装置实验过程采用间歇进水，反应器为内径80mm，高600mm，有效容积3L的有机圆柱体厌氧反应器。利用循环泵使反应器内污泥与废水均匀混合，利用水下加热棒加热使反应器水温保持在33℃(±1℃)。水样与泥样分别通过反应器顶部与底部取样。1．2实验材料及方法接种污泥采用河南焦作瑞丰纸业IC反应器的颗粒污泥，污泥TS84．2g/L，VS20．7g/L。实验用水为人工合成废水，以葡萄糖为电子供体和有机碳源，硫酸钠为电子受体，其主要组成为:COD5000mg/L，KH2PO4120mg/L，SO2-4500～1000mg/L，NaHCO3700mg/L，(NH2)2CO300mg/L，NaCl0～50g/L。整个实验运行过程为110d，分为3个反应阶段，第1和第3阶段分别研究了低盐度和高盐度下pH值对厌氧反应器的影响，在各个阶段以10d为一个单位陆续降低系统进水pH值，如表1所示。实验运行前，以低浓度的COD和SO2－4进水启动反应器，当系统去除率稳定后，反应器开始运行。表1系统操作参数Table1Operationalparametersofthereactor温度(d)COD/SO2－4pH盐度(g/L)HRT(h)1～50107．5、6．5、5．5、4．5、3．742451～70107．542471～110107．5、6．5、5．5、4．5、3．750241．3分析项目与方法实验运行过程中，每24h取进出水水质，分析水质各个指标。COD:重铬酸钾法;硫酸盐:铬酸钡光度法;硫化物:碘量法;TS和VS:重量法［9］;pH:pH电极。1．4qRT-PCR污泥样品于各阶段每单位时间(10d)结束时取出保存在4℃条件下。1．4．1DNA提取取污泥750mL在4000r/min离心10min，弃去上清液，沉淀污泥用于DNA提取，提取方法按照GenomicDNAMiniPreparationKitwithSpinColumn(D0063，BeyotimeInstitute，China)试剂盒进行。DNA浓度由分光光度计在260nm波长下测定，最后将各样品DNA浓度稀释至100ng/μL。1．4．2PCRPCR扩增反应体系为25μL:1×Taq-Buffer，1UTaq酶(Takara，Japan)，1．5mmol/LMgCl，100μmol/LdNTP，0．1μmol/L各引物(如表2)，100ng模版DNA。反应条件:预变性94℃5min，35个循环94℃40s，54℃40s，72℃80s，最后一次延伸至10min。扩增产物利用琼脂糖凝胶电泳分析。1．4．3qRT-PCRPCR成功后，对各样品进行qRT-PCR。反应体系为20μL:10μLPremixrEXTaqTM(TaKaRa，Ja-pan)，0．1μmol/L引物，1μL模版DNA，7μL双蒸水。反应条件:95℃预变性30s，95℃5s，60℃30s，40个循环，每个样品做平行样。实验数据分析采用相对定量分析［11］。表2引物序列［10］Table2Sequenceoftheprime序列16SrRNABSF635'-AGGCCTAACACATGCAAGTC-3'BSR5345'-ATTACCGCGGCTGCTGGC-3'dsrABDSR1-F5'-ACSCACTGGAAGCACGGCGG-3'DSR1-R5'-GTGGMRCCGTGCAKRTTGG-3'2结果与讨论2．1系统内pH的变化由图1可知，随着进水pH值的不断降低，出水pH值保持在一定的范围内。当进水NaCl浓度为4g/L，pH值从7．5降至4．5的过程中，出水pH值能维持在6以上，当进水pH值降至4以下，出水pH值出现持续下降的趋势。含硫酸盐的产酸-脱硫过程是碱度增加的反应［5，12］，在适宜的pH值内能有效缓冲体系内的［H+］，维持反应体系所需的pH值。但pH值的不断下降使各菌种酶活性降低［13］，反应器内积累了大量的VFA［3］，改变了体系的碱度平衡，最后出现pH值下降的趋势。NaCl升到50g/L后，出水pH值低于进水pH值，在进水pH为6．5时就显现出pH值下降的趋势。可见，溶液中Na+浓度增加，盐度升高，微生物新陈代谢活性下降［14］，最终使反应体系失衡。8252第11期吴文菲等:pH、盐度对微生物还原硫酸盐的影响研究图1进出水pH值Fig．1InfluentpHandeffluentpH2．2pH对硫酸盐还原和有机物去除的影响由图2和图3所示，NaCl浓度为4g/L与50g/L条件下，硫酸盐及有机物去除率基本随着pH值下降而降低。低盐度时，硫酸盐去除率在pH6．5时有微微上升的趋势，紧接着从pH5．5开始下降，最终由85%降至60%;高盐度条件下硫酸盐出水情况与低盐度条件相似，但在相对应的pH中，硫酸盐去除率整体低于低盐度时的去除率。相对硫酸盐去除率，有机物去除率不高，尤其在高盐度下，有机物去除率几乎完全受抑制。硫化物浓度起伏变化很大(图4)，一方面由于pH值降低，反应器中SRB代谢能力下降，生成的硫化物减少;另一方面是因为pH值降低改变了硫化物的化学平衡，使溶液中溶解性硫化物减少。综上所述，酸性条件不利于反应器的运行，低pH能直接影响微生物的酶活性，进而阻碍细菌的生长和代谢能力［13］，除此之外，溶液中pH的降低增加了系统中的H2S和挥发酸浓度，抑制SRB及其他厌氧菌的生长［3］。但在盐浓度条件适宜的情况下，进水pH为3．7时，系统出水pH仍保持在微酸环境(pH6左右)，反应器内硫酸盐与COD去除率分别能达到60%和55%。图2硫酸盐去除效率图Fig．2Sulfatereductionefficiencies2．3NaCl对硫酸盐还原和有机物去除的影响图5表示的是硫酸盐和有机物去除率分别在低盐与高盐条件下的对比情况。从图中对比可以发现，NaCl浓度增加，有机物及硫酸盐去除率均降低，表明NaCl浓度升高使反应器中各菌种代谢活性下降。相比情况下，硫酸盐去除率下降程度低于有机物去除率;另外，当溶液中硫化物浓度降低时，而COD去除率基本不到20%，可见此时的产甲烷菌生长几乎被钠盐抑制，有机物的消耗主要依靠硫酸盐还原菌的生长代谢。实验结果表明，与硫酸盐还原菌相比产甲烷菌对NaCl浓度变化敏感。溶液中钠离子浓度增加，同时也增大了溶液中的总离子强度，破坏了细胞内外渗透压的平衡关系，消耗了细菌的部分