不同好氧颗粒污泥中微生物群落结构特点

中国环境科学2016,36(4)：1136~1144ChinaEnvironmentalScience不同好氧颗粒污泥中微生物群落结构特点侯爱月1,李军1*,王昌稳2,岳耀冬1,赵昕燕1,卞伟1,张彦灼1(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124；2.临沂大学资源环境学院,山东省水土保持与环境保育重点实验室,山东临沂276005)摘要：为了探讨活性污泥好氧颗粒化过程对微生物种群的影响、不同底物及不同颗粒化方法培养的好氧颗粒污泥中微生物群落结构的差异,以接种污泥、模拟废水好氧颗粒污泥和分别投加粉末活性炭和硅藻土的实际生活污水好氧颗粒污泥为研究对象,利用PCR-DGGE对比分析了接种污泥和好氧颗粒污泥中的微生物群落结构.结果表明:活性污泥好氧颗粒化过程会减少微生物种群多样性,影响颗粒污泥稳定性的细菌被淘汰,而聚磷菌、反硝化菌、难降解有机物降解菌等污水处理功能微生物都在颗粒化过程中得到保留.活性污泥好氧颗粒化过程中能够实现亚硝化细菌(AOB)一定程度的富集.与接种活性污泥相比,好氧颗粒污泥中AOB的多样性指数与均匀性指数均有提高.好氧颗粒污泥中的优势菌群主要分布于变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和未培养菌(unculturedbacterium).其中AOB均属于β-Proteobacteria的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).关键词：好氧颗粒污泥；微生物群落结构；PCR-DGGE中图分类号：X172文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)04-1136-09Characteristicsofmicrobialcommunitystructureindifferentaerobicgranularsludge.HOUAi-yue1,LIJun1*,WANGChang-wen2,YUEYao-dong1,ZHAOXin-yan1,BIANWei1,ZHANGYan-zhuo1(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.KeyLaboratoryofShandongProvincialforWaterandSoilConservation&EnvironmentalProtection,SchoolofResources&Environment,LinyiUniversity,Linyi276005,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(4)：1136~1144Abstract：Inordertoinvestigatetheinfluencesofactivatedsludgeaerobicgranulationprocessonmicrobialdiversityandthedifferencesofmicrobialcommunitystructureinaerobicgranularsludge(AGS)whichwascultivatedbydifferentcarbonsourcesordifferentgranulationmethods,themicrobialcommunitystructureofseedsludgeandAGS(AGSwithartificialwastewater,AGSwithrealdomesticwastewaterbyaddingdiatomiteandpoweredactivatedcarbonrespectively)wereanalyzedbyPCR-DGGE.Theactivatedsludgeaerobicgranulationprocessledtoalowmicrobialdiversity.Thebacteriawhichmightimpactthestabilityofgranularsludgewereeliminated.However,thebacteriawhichwerecapableofphosphorusaccumulation,denitrificationorbio-degradationofrefractoryorganicsubstanceswereretained.Intheactivatedsludgeaerobicgranulationprocesstheammoniaoxidationbacteria(AOB)wereenrichedtoacertainextent.Comparedwiththeseedactivatedsludge,thediversityindexandevennessindexofAOBwereincreased.ThedominantbacterialcommunitiesinAGSwereProteobacteria,Bacteroidetesandunculturedbacterium.ThedominantAOBinAGSwereallbelongedtoNitrosomonas.Keywords：aerobicgranularsludge；microbialcommunitystructure；PCR-DGGE好氧颗粒污泥具有沉降性能好、污泥密度大、生物量高、抗冲击负荷和耐有毒物质的优势.目前好氧颗粒污泥的应用研究多集中在高浓度有机废水,富含有毒有害污染物废水以及生活污水的处理中[1-3].好氧颗粒污泥内部不同的微环境能够为各功能微生物提供适宜的生存条件,应用于生活污水处理时,异养菌、硝化细菌和反硝化细菌协同作用,可以较好的实现碳氮的同步去除.以典型低有机物浓度城市生活污水培养好氧颗粒污泥的研究还较少[4],以低有机物浓度城收稿日期：2015-09-06基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2014ZX07201-011)*责任作者,教授,[e-mail]4期侯爱月等：不同好氧颗粒污泥中微生物群落结构特点1137市生活污水快速培养好氧颗粒污泥对于该技术的应用至关重要.好氧颗粒污泥的形成过程是一个较为复杂的过程,其形成受很多操作条件制约,比如接种污泥,底物组成,有机负荷,反应器类型和运行等.SBR的运行模式一直被广泛用来培养好氧颗粒污泥.城市生活污水的有机物浓度较低,且水质成分波动较大,活性污泥好氧颗粒化时间较长.根据颗粒污泥形成的“晶核假说[5]”并结合工程实践,在接种污泥的同时添加惰性载体,可以缩短活性污泥好氧颗粒化的时间.高阳等[6]证实在接种活性污泥的同时,投加一定量活性炭可以加速好氧颗粒污泥的颗粒化进程.硅藻土作为吸附剂已被广泛用在废水处理中.樊红辉[7]针对焦化废水,采用两级微氧颗粒污泥+硅藻土得到了较好的氨氮去除效果.硅藻土的多孔隙结构和良好吸附性能有助于活性污泥微生物的附着聚集,有助于强化好氧颗粒化过程,但是目前对这方面的研究还鲜有报道.聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳技术(PCR-DGGE),可以同时快速地对多个环境样品的微生物群落结构进行比较分析,提供微生物群落调控方面的理论依据,已成为水处理中微生物检测的常用方法之一.本试验采用SBR反应器,通过控制沉淀时间,分别培养模拟废水好氧颗粒污泥、投加粉末活性炭的实际生活污水好氧颗粒污泥和投加硅藻土的实际生活污水好氧颗粒污泥.为了了解活性污泥好氧颗粒化过程对微生物种群的影响、不同底物及不同颗粒化方法培养出来的好氧颗粒污泥中微生物群落结构差异,以接种污泥和不同方法培养出来的好氧颗粒污泥为对象,利用PCR-DGGE技术对比分析接种污泥和好氧颗粒污泥中的微生物群落结构.1材料与方法1.1样品采集好氧颗粒污泥的培养采用SBR反应器,高120cm,直径18cm,总体积30.5L,有效容积为25.4L,由有机玻璃制成.SBR的运行通过定时控制器实现对反应过程的控制.每天运行3个周期,每个周期包含5min进水,7.5h好氧曝气,沉淀时间由各部分研究内容确定,5min排水和5min闲置.好氧颗粒污泥培养的接种污泥取自北京高碑店污水处理厂回流污泥,该污泥具有良好的脱氮除磷性能,MLSS为3930mg/L,SVI为157.人工配水培养好氧颗粒污泥,进水水质指标如表1所示.通过控制沉淀时间,将试验开始时的15min逐步缩短到3min,系统运行20d后出现颗粒污泥,稳定运行后COD平均去除率为94.7%,NH4+-N去除率接近100%,NO2--N积累率达到83%左右,实现稳定的短程硝化.表1人工模拟废水成分组成Table1Compositionsofsyntheticwastewater主要成分质量浓度(g/L)微量元素成分质量浓度(mg/L)NaAc0.32H3BO3150NH4Cl0.46CuSO4·5H2O50KH2PO40.04CoCl2·6H2O150MgSO4.7H2O0.02KI150CaCl2.2H2O0.01Na2MoO4·2H2O60FeCl3·6H2O1.5MnCl2·4H2O110ZnSO4·7H2O120实际生活污水取自北京某高校教工生活区化粪池,水质指标如表2所示.由于直接以实际生活污水为底物较难培养好氧颗粒污泥,因此考虑投加粉末活性炭(PAC)和硅藻土强化活性污泥好氧颗粒化过程.投加粉末活性炭实际生活污水好氧颗粒污泥培养过程:反应器接种活性污泥后即投加4000mg/LPAC,控制沉淀时间,将试验开始的30min初步缩短到3min,系统运行20d后形成颗粒,运行60d后,粉末活性炭好氧颗粒污泥对COD、NH4+-N的去除率分别为85.3%和87.2%;投加硅藻土实际生活污水好氧颗粒污泥培养过程为:进水水质、硅藻土投加量及沉淀时间控制条件与投加粉末活性炭过程相同,系统运行60d形成颗粒污泥,运行72d后,硅藻土好氧颗粒污泥对COD、NH4+-N去除率分别为53.2%和34.5%.取接种污泥及各反应器中形成并稳定运行后的好氧颗粒污泥样品,分别编号为样品R1(接种污泥)、R2(模拟废水好氧颗粒污泥)、R3(投加PAC实际生活污水好氧颗粒污泥)和R4(投加硅1138中国环境科学36卷藻土实际生活污水好氧颗粒污泥),样品采集后在-20℃下保存.表2实际生活污水水质Table2Thequalityofrealdomesticwastewater项目COD(mg/L)TN(mg/L)NH4+-N(mg/L)NO2--N(mg/L)范围180.3~260.190.5~110.780.2~100.70.03~0.98项目NO3--N(mg/L)PO43--P(mg/L)pH值范围0.51~2.132.18~8.877.3~8.01.2样品总DNA提取泥样在1.5mL离心管中静沉30min后舍去上清液,15000r/min高速离心5min后,去除上层清液,取0.3g用于总DNA提取,剩余污泥冷冻备用.采用上海生工的“Ezup柱式基因组DNA抽提试剂盒(土壤)”提取后,取5µL用1.2%琼脂糖凝胶检测.其余置于-20℃储存备用.1.3聚合酶链式反应(PCR)针对总细菌的PCR扩增,以提取的细菌总DNA作为模板,采用对大多数细菌16SrRNA基因V3区都具有特异性的引物对F357-GC(5'-CGCCCGCCGCGCCCCGCGCCCGGCCCGCC-GCCCCCGCCCCCCTACGGGAGGCAGCAG-3')和R518(5'-ATTACCGCGGCTGCTGG-3').反应体系(50µL)为:10×PCRbuffer5µL,dNTP(各2.5mmol/L)4µL,F357-GC(20µmol/L)0.5µL,R518(20µmol/L)0.5µL,TaqDNA聚合酶(5U)0.5µL,DNA模板1µL,加ddH20至50µL.反应