高效水解酸化UASB活性污泥的菌群结构分析

第３４卷第１１期２０１４年１１月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３４，Ｎｏ．１１Ｎｏｖ．，２０１４基金项目：江苏省环保科研课题项目（Ｎｏ．２０１３０１６）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｓ（Ｎｏ．２０１３０１６）作者简介：王学华（１９６３—），男，副教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙｉｎｌｉｎｇ⁃[e-mail]：ＷＡＮＧＸｕｅｈｕａ（１９６３—），ｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙｉｎｌｉｎｇ⁃[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１４．０６６０王学华，黄俊，宋吟玲，等．２０１４．高效水解酸化ＵＡＳＢ活性污泥的菌群结构分析［Ｊ］．环境科学学报，３４（１１）：２７７９⁃２７８４ＷａｎｇＸＨ，ＨｕａｎｇＪ，ＳｏｎｇＹＬ，ｅｔａｌ．２０１４．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎｂａｃｔｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ′ｓｓｌｕｄｇｅｗｉｔｈｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓａｃｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆａｄｙｅｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３４（１１）：２７７９⁃２７８４高效水解酸化ＵＡＳＢ活性污泥的菌群结构分析王学华，黄俊，宋吟玲∗，黄勇，李蕾苏州科技学院环境科学与工程学院，苏州２１５００９收稿日期：２０１４⁃０１⁃２０　　　修回日期：２０１４⁃０３⁃１３　　　录用日期：２０１４⁃０３⁃１３摘要：采用４５４高通量测序技术对低能耗、低污泥产量且具有脱氮效能的印染废水处理工艺中ＵＡＳＢ污泥的微生物菌群结构进行了分析．结果表明，ＵＡＳＢ内污泥的微生物菌种呈多样性分布且优势菌群突出，通过菌群鉴定发现，脱硫橄榄样菌属（Ｄｅｓｕｌｆｏｂａｃｕｌａ）、Ｌｅｖｉｌｉｎｅａ、长绳菌属（Ｌｏｎｇｉｌｉｎｅａ）、ＣａｎｄｉｄａｔｕｓＴａｍｍｅｌｌａ、Ｐａｌｕｄｉｂａｃｔｅｒ、索氏菌属（Ｔｈａｕｅｒａ）、Ｔｅｐｉｄｉｍｉｃｒｏｂｉｕｍ、杆状脱硫菌属（Ｄｅｓｕｌｆｏｒｈａｂｄｕｓ）、类芽孢杆菌属（Ｐａｅｎｉｂａｃｉｌｌｕｓ）、梭菌属（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）是主要的优势菌属．其中，梭菌属是起到产酸和污泥减量作用的主要菌种．另外，具有脱氮效能的原因可能是由于发生了硫酸盐型厌氧氨氧化作用．通过Ｓｈａｎｎｏｎ、Ｃｈａｏ、Ｓｉｍｐｓｏｎ、Ｓｈａｎｎｏｎ指数的计算，发现该ＵＡＳＢ中微生物较其他废水处理系统，群落结构拥有较高的多样性和丰度，有利于稳定产酸．关键词：４５４高通量测序；ＵＡＳＢ；菌群结构；优势菌文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１４）１１⁃２７７９⁃０６　　　中图分类号：Ｘ７０３．５　　　文献标识码：ＡＡｎａｌｙｓｉｓｏｎｂａｃｔｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ′ｓｓｌｕｄｇｅｗｉｔｈｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓａｃｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆａｄｙｅｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓＷＡＮＧＸｕｅｈｕａ，ＨＵＡＮＧＪｕｎ，ＳＯＮＧＹｉｎｌｉｎｇ∗，ＨＵＡＮＧＹｏｎｇ，ＬＩＬｅｉＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５００９Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２０Ｊａｎｕａｒｙ２０１４；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１３Ｍａｒｃｈ２０１４；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ１３Ｍａｒｃｈ２０１４Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｂａｃｔｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ′ｓｓｌｕｄｇｅｗｉｔｈｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗｓｌｕｄｇｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄａｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｄｙｅｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙ４５４ｈｉｇｈ⁃ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄａｈｉｇｈｌｙｄｉｖｅｒｓｅｂａｃｔｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙａｎｄａｐｐａｒｅｎｔｄｏｍｉｎａｎｔｂａｃｔｅｒｉａｌｇｒｏｕｐｉｎｓｌｕｄｇｅ．ＴｈｅｂａｃｔｅｒｉａｌｇｒｏｕｐｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＤｅｓｕｌｆｏｂａｃｕｌａ，Ｌｅｖｉｌｉｎｅａ，Ｌｏｎｇｉｌｉｎｅａ，ＣａｎｄｉｄａｔｕｓＴａｍｍｅｌｌａ，Ｐａｌｕｄｉｂａｃｔｅｒ，Ｔｈａｕｅｒａ，Ｔｅｐｉｄｉｍｉｃｒｏｂｉｕｍ，Ｄｅｓｕｌｆｏｒｈａｂｄｕｓ，ＰａｅｎｉｂａｃｉｌｌｕｓａｎｄＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｗｅｒｅｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ，Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｗａｓｔｈｅｍａｉｎｓｔｒａｉｎｓｆｏｒａｃｉｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｓｌｕｄｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｍａｙｂｅａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎｓｕｌｆａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｂａｃｔｅｒｉａ．ＴｈｅｃｏｍｍｕｎｉｔｙｒｉｃｈｎｅｓｓａｎｄｄｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＵＡＳＢｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｗｅｒｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｏｔｈｅｒｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓｂｙＳｈａｎｎｏｎｉｎｄｅｘｅｓｔｉｍａｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：４５４ｈｉｇｈ⁃ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ；ＵＡＳＢ；ｂａｃｔｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｏｍｉｎａｎｔｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）近年来，由于化纤织物的发展和印染后整理技术的进步，使大量ＰＶＡ浆料、新型助剂等难生化降解的有机物进入印染废水，这给生化处理增加了难度（杨书铭等，２００２）．而水解酸化（李川，２００９）的目的是针对印染废水中这类可生化性很差的一些高分子物质，期望它们在厌氧段转化为小分子物质，从而改善废水的可生化性，为后续处理创造条件．ＵＡＳＢ反应器（Ｕｐ⁃ｆｌｏｗＡｎａｅｒｏｂｉｃＳｌｕｄｇｅＢｌａｎｋｅｔ）作为第二代废水厌氧生物处理的典型工艺，具有结构紧凑、处理能力大（有机负荷高）、无机械搅拌装置、处理效果好及占地小等优点，与传统的厌氧生物处理工艺相比，实现了水力停留时间环　　境　　科　　学　　学　　报３４卷（ＨＲＴ）与污泥停留时间（ＳＲＴ）的有效分离（沈耀良等，２００６），是目前研究较多、应用日趋广泛的新型废水厌氧处理设备．为此，某印染废水处理厂采用ＵＡＳＢ作为水解酸化池，稳定运行后发现其不仅具有传统水解酸化的作用，废水通过ＵＡＳＢ还具有脱氮效能且排泥量很少，２０１２年每吨水的污泥产量仅为３７６ｇ（含水率８０％），大大小于奚旦立等（２００６）研究发现的４０００ｇ·ｔ－１（含水率８０％）的平均水平．为阐明该ＵＡＳＢ如何脱氮并实现低污泥产量，本研究利用４５４高通量测序技术对ＵＡＳＢ中水解酸化污泥进行微生物的菌群结构分析，以期从微观方面解释这种现象并为以后此类废水的处理提供参考．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　工艺概况江苏某工业园区污水处理厂以处理印染废水为主，约占总处理水量９０％以上，处理水量约为１２０００ｍ３·ｄ－１左右，采用“ＵＡＳＢ＋好氧池＋接触氧化池”为主体的二级生化处理工艺．经多年的实际运行，大量监测数据表明，该工艺处理效果良好，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８—２００２）一级Ａ标准．２０１０—２０１２年污水处理厂进出水水质情况如表１所示，工艺流程见图１．表１　２０１０—２０１２年污水处理厂进出水水质情况Ｔａｂｌｅ１　Ｉｎｆｌｏｗａｎｄｅｆｆｌｕｅｎｔｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｉｎ２０１０—２０１２水样数据类型ＣＯＤ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＢＯＤ５／（ｍｇ·Ｌ－１）ＳＳ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＨ＋４⁃Ｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＴＮ／（ｍｇ·Ｌ－１）ｐＨＴＰ／（ｍｇ·Ｌ－１）色度／倍温度／℃进水范围８００～１２００２５０～３２０５００～６００１７．４～２８．９２７．６～３８．５７～１１３．６８～４．８９５００～６００２５～３８均值１０００２８５５５０２３．２３３．１９４．２７５５０３１出水范围２６～４１４～６４～７１．１～２．１３．７～５．４７．２～７．６０．１２～０．２９８～１２２３～３５均值３６５５．５１．６４．５７．４０．２０１０２９图１　工艺流程图Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ２．２　水解酸化通过投加稀硫酸调节废水的ｐＨ值，使后续生化反应池内的微生物在正常环境下生存，以保证衔接工序高效稳定地运行．ＵＡＳＢ可降解部分有机污染物、截流与消化回流剩余污泥和ＳＳ，减小后续处理的有机负荷．ＵＡＳＢ反应池的外形尺寸为１６ｍ×１６ｍ×１４ｍ（长×宽×高），为钢筋混凝土结构，共２座，有效水深８．５ｍ，三相分离区３．０ｍ，布水区１．５ｍ，超高０．５ｍ，水力停留时间８．０ｈ．系统稳定运行后，废水通过ＵＡＳＢ反应池，其污染物的去除率如表２所示．表２　ＵＡＳＢ中污染物去除率Ｔａｂｌｅ２　ＰｏｌｌｕｔａｎｔｓｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ污染因子单位取值进水水质出水水质去除率ＣＯＤＣｒｍｇ·Ｌ－１９６０５００４８％ＢＯＤ５ｍｇ·Ｌ－１２８８２１０２７％ＳＳｍｇ·Ｌ－１３６０１０８７０％ＮＨ＋４⁃Ｎｍｇ·Ｌ－１１８１２３３％ＴＮｍｇ·Ｌ－１３０１８４０％ｐＨ９７．５色度倍５００１２０７６％２．３　实验方法污泥样品取自于现场稳定运行的ＵＡＳＢ中，用无菌采样袋装盛并密封带回实验室，利用实时荧光定量ＰＣＲ并委托上海欧易公司采用４５４高通量测序技术对污泥样品的微生物群落进行分析，实验流程如下．２．３．１　ＤＮＡ提取　使用ＯＭＥＧＡ公司的Ｅ．Ｚ．Ｎ．ＡＳｏｉｌＤＮＡ试剂盒抽提基因组ＤＮＡ，并用１％琼脂糖０８７２１１期王学华等：高效水解酸化ＵＡＳＢ活性污泥的菌群结构分析凝胶电泳检测抽提的基因组ＤＮＡ完整性．２．３．２　ＰＣＲ扩增　按指定测序区域，合成带有５′４５４Ａ、Ｂ接头⁃特异引物３′的融合引物，ＰＣＲ采用ＴｒａｎｓＧｅｎＴｒａｎｓＳｔａｒｔＦａｓｔｐｆｕＤＮＡＰｏｌｙｍｅｒａｓｅＡＰ２２１⁃０２，ＰＣＲ仪为ＡＢＩＧｅｎｅＡｍｐ􀳏９７００型；每个样品３个重复，将同一样品的ＰＣＲ产物混合后用２％琼脂糖凝胶电泳检测，使用ＡｘｙＰｒｅｐＤＮＡ凝胶回收试剂盒（ＡＸＹＧＥＮ公司）切胶回收ＰＣＲ产物，Ｔｒｉｓ⁃ＨＣｌ洗脱；２％琼脂糖电泳检测．２．３．３　荧光定量　参照电泳初步定量结果，将ＰＣＲ产物用ＱｕａｎｔｉＦｌｕｏｒＴＭ⁃ＳＴ蓝色荧光定量系统（Ｐｒｏｍｅｇａ公司）进行检测定量，之后按照每个样品的测序量要求，进行相应比例的混合．ｅｍＰＣＲ和ＲｏｃｈｅＧｅｎｏｍｅＳｅｑｕｅｎｃｅｒＦＬＸ＋上机测序所用试剂分别为ＲｏｃｈｅＧＳＦＬＸＴｉｔａｎｉｕｍｅｍＰＣＲＫｉｔｓ（Ｌｉｂ⁃Ｌ）和ＲｏｃｈｅＧＳＦＬＸ＋ＳｅｑｕｅｎｃｉｎｇＭｅｔｈｏｄＭａｎｕａｌ＿ＸＬＲ７０ｋｉｔ．２．３．４　生物信息学分析　去除序列末端的后引物和接头序列、多碱基Ｎ、ｐｏｌｙＡ／Ｔ尾巴及低质量碱基；去除所得序列的ｂａｒｃｏｄｅ标签序列、前引物序列；丢弃长度短于２００ｂｐ、模糊碱基数＞０、序列平均质量低于２５的序列；提取非重复序列，与Ｓｉｌｖａ数据库（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｒｂ⁃ｓｉｌｖａ．ｄｅ／