好氧颗粒污泥的微生物研究进展季斌

2017年第62卷第23期：2639~2648引用格式:季斌,陈威,樊杰,等.好氧颗粒污泥的微生物研究进展.科学通报,2017,62:2639–2648JiB,ChenW,FanJ,etal.Researchprogressonmicrobesinaerobicgranularsludge(inChinese).ChinSciBull,2017,62:2639–2648,doi:10.1360/N972016-01192©2017《中国科学》杂志社《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS进展好氧颗粒污泥的微生物研究进展季斌*,陈威,樊杰,宋宏娇武汉科技大学城市建设学院,武汉430065*联系人,E-mail:[e-mail]2016-10-27收稿,2016-11-15修回,2016-11-15接受,2017-03-21网络版发表湖北省教育厅中青年人才项目(Q20161116)和武汉科技大学青年人才项目(2016xz033)资助摘要好氧颗粒污泥是由微生物在一定选择压下自凝聚形成的可移动的生物膜.本文从微生物群落的组成、分布及演替3个方面对好氧颗粒污泥进行论述,并对未来的研究方向进行展望,为好氧颗粒污泥后续研究提供参考.主要结论如下:好氧颗粒污泥与絮状污泥的微生物组成存在差异,-变形菌纲(-Proteobacteria)、黄杆菌纲(Flavobacteria)、鞘脂杆菌纲(Sphingobacteriia)等的微生物在好氧颗粒污泥中所占的比重不容忽视;以聚磷菌(Accumulibacter)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和亚硝化螺菌属(Nitrospira)为主要微生物的好氧颗粒污泥能够高效脱氮除磷;反硝化除磷好氧颗粒污泥是聚糖菌(Competibacter)和Accumulibacter共同作用的效果,也可以是黄单胞杆菌目(Xanthomonadales)和Tetrasphaera共同作用的效果;pH过低,DO不足或者有机负荷过高会导致好氧颗粒污泥中绿弯菌门(Chloroflexi)、球衣菌属(Sphaerotilus)、发硫菌属(Thiothrix)等丝状菌的过量生长;红环菌属(Rhodocyclus)、生丝微菌科(Hyphomicrobiaceae)等非球状菌和产EPS的动胶菌属(Zoogloea)在好氧颗粒污泥形成过程中可起到关键性的作用.关键词好氧颗粒污泥,微生物组成,微生物分布,微生物演替,-变形菌纲好氧颗粒污泥(aerobicgranularsludge,AGS)是由微生物在一定选择压下自凝聚形成的以各种微生物种群为主体的可移动的生物膜.好氧颗粒污泥技术具有污泥浓度高、剩余污泥量少、沉降速度快、耐冲击负荷能力强、所需占地面积小、低成本、低能耗、可同时实现脱氮除磷等特点[1],成为目前污水生物处理领域的研究热点之一.Mishima和Nakamura[2]首次报道在好氧上流式污泥床反应器(aerobicupflowsludgeblanket,AUSB)中培养获得AGS,该技术随后便得到广泛关注[3,4].荷兰代尔夫特理工大学的vanLoosdrecht课题组将好氧颗粒污泥与序批式活性污泥法(sequencingbatchre-actor,SBR)结合形成的Nereda工艺(或称好氧颗粒污泥序批式反应器(granularsequencingbatchreactor,GSBR工艺))应用于实际工程应用并通过中试[5]和生产性试验[6].目前关于AGS的特性、影响因素、应用和形成机理等方面已有了大量的研究和论述[7,8].例如,减少沉淀时间、提高水力剪切力和溶解氧浓度、高低负荷交替运行、钙镁离子的强化等有利于AGS的形成.总体说来,提供不利于某些种类微生物生长的因素,有利于活性污泥体系中的丝状菌群与其他菌群聚集形成共生体系即颗粒污泥.尽管关于AGS的形成和影响因素等方面有较多论述和报道,关于颗粒污泥微生物的论述相当不足.本文以好氧颗粒污泥的主体—微生物相为出发点,从微生物的组成、分布和演替等方面论述AGS的污染物去除机理.1AGS微生物群落组成现代分子微生物学手段近年来在环境生态学领2017年8月第62卷第23期2640域得到了快速的发展,是研究AGS微生物的重要方法,主要包括梯度凝胶电泳(denaturedgradientgelelectrophoresis,DGGE)、荧光原位杂交(fluorescenceinsituhybridization,FISH)、实时定量聚合酶链反应(polymerasechainreaction,PCR)(实时定量PCR(re-al-timequantitativePCR,qPCR)),克隆文库、末端限制性片段长度多态性(terminal-restrictionfragmentlengthpolymorphism,T-RFLP)和高通量测序等手段.基于高通量测序技术的宏基因组学[9]和宏转录组学[10]是当前微生物生态学分析的昀新手段.一般说来,qPCR、FISH和T-RFLP技术用于少数种类的微生物分析,而基于PCR的克隆文库、DGGE和高通量测序的手段用于系统中较多种类的微生物群落分析.1.1普通工艺的微生物组成AGS昀常用的工艺为SBR工艺,即GSBR工艺[11],也有采用气提式序批反应器(sequencingbatchairliftreactor,SBAR)[12]或类似AUSB的连续流的反应器[13].培养AGS的接种污泥一般来源于污水厂,其微生物种群大多数分布在变形菌门(Proteobacteria(-变形菌纲-Proteobacteria)、-变形菌纲-Proteobacter-ia))),厚壁菌门(Firmicutes),拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)4个门[14].表1展示了AGS微生物组成的代表性研究成果[15~24].通过对比发现,尽管-Proteobacteria的主导地位没有发生改变,其他门的微生物跟生活污水厂中污泥微生物组成类似,但是-Proteobacteria,Flavobacteria,Sphingobacteriia等的微生物在颗粒污泥中所占的比重不容忽视.Weissbrodt等人[25]借助基于T-RFLP生物信息学的方法PyroTRF-ID(pyrosequencing-basedT-RFiden-tification)对AGS的微生物组成做了大量的研究,并根据主要微生物的种群的不同将AGS微生物组成分为3大类:(1)Accumulibacter(典型的聚磷菌(phosphorusaccumulatingorganisms,PAO),-Proteobacteria),表1AGS微生物组成一览表Table1LiteraturelistsofmicrobialcomponentofAGS工艺及废水种类(特殊物质)分析手段主要微生物门、纲、目科、属、种SBR人工配水[15]克隆文库-Proteobacteria,Sphingobacteria(鞘脂杆菌门)CandidatedivisionTM7,Flavobacteria-ProteobacteriaAcidovorax(食酸菌属),Pseudomonas(假单胞菌属),Micropruinaglycogenica,Coma-monadaceae(丛毛单胞菌科)SBR人工配水(甲基叔丁基醚)[16]DGGEFlavobacteria,-Proteobacteria,-Proteobacteria,放线菌门(Actinobacteria)Flavobacterium,Methylobacterium(甲基杆菌属),Pseudoalteromonas(假交替单胞菌属)SBR人工配水(2-氟苯酚)[17]DGGE-proteobacteria,-Proteobacteria,-Proteobacteria,Actinobacteria,Rhizobiales(根瘤菌目),Nitrospirae(硝化螺旋菌门)Pseudoxanthomonas,Xanthomonas(黄单胞菌属),Acidovorax,NitrospiraSABR人工配水(四氯苯胺)[18]DGGE-Proteobacteria,Flavobacteriales(黄杆菌目),Planctomycetales(浮霉菌目),Clostridiales(梭菌目),Acidobacteria(酸杆菌门)Thauera(陶厄氏菌属),Xanthomonas,Acido-bacteriumSBR生活污水[19]DGGE-Proteobacteria,Bacteroidetes(拟杆菌门)Nitrosomonas,CandidatusAccumulibacterPhosphatis,ThaueraSBR人工配水(高盐)[20]DGGE-Proteobacteria,ActinobacteriaHydrogenophaga(氢嗜胞菌属),Corynebacte-rium,Actinobacterium(放线菌属),Strep-tomyces(链霉菌属)SBR人工配水[21]高通量测序-Proteobacteria,-Proteobacteria,Sphingobacte-riia,-Proteobacteria,Bacilli(芽孢杆菌纲)Xanthomonadales_norank,Saprospiraceae(腐螺旋菌科)SBR畜产污水[22]高通量测序-proteobacteria,-Proteobacteria,Sphingobacte-riia,Actinobacteria,-proteobacteriaXanthomonadaceae(黄单胞菌科),Coma-monadaceae,rhodocyclaceae(红环菌科),SphingomonadaceaeAS生活污水(双酚A)[23]高通量测序-Proteobacteria,Sphingomonadales(鞘脂单胞菌目),Sphingobacteriales(鞘脂杆菌目),Burkholderiales(伯克氏菌目),Nitrosomonadales(亚硝化单胞菌目),Methylophilales,MethylococcalesThauerasp.,Azoarcussp.,Aquimonas(水细胞菌属)sp.,Sphingomonas(鞘氨醇单胞菌属)sp.SBR人工配水(吡啶)[24]高通量测序Proteobacteria(变形菌门),Bacteroidetes(拟杆菌门)Paracoccus(副球菌属),Comamonas(丛毛单胞菌属)2641进展Nitrosomonas和Nitrospira为主体(有机底物浓度充足);(2)Competibacter(典型的聚糖菌(glycogenaccumulat-ingorganisms,GAO),-Proteobacteria),Sphingobacte-riales,噬细胞菌属(Cytophaga)和间孢囊菌科(Intrasporangiaceae)为主体(有机底物浓度相对不足);(3)黄单胞菌科Xanthomonadaceae(-Pro-teobacteria)为主体(溶解氧(dissolvedoxygen,DO)较高,饱和浓度).对于(1)Accumulibacter和(2)Competibacter而言,COD/P=20有利于Accumulibacter的生长(化学需氧量,chemicaloxygendemand,COD),COD/P=200有利于Competibacter的竞争生长[26].高有机负荷培养的AGS微生物主体一般主要属于-Proteobacteria[27].另外,pH7.3,T