好氧颗粒污泥耐受高碳氮负荷过程中的群体感应

应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol2014，20(1):73-792014-02-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2014.00073好氧颗粒污泥是微生物在适当的环境条件下，细胞和其他物质相互作用而形成的三维微生物聚集体结构，是一种由多种自固定化细胞组成的特殊的生物膜.随着对好氧颗粒污泥研究的不断深入，该技术被广泛应用于生物污水处理领域和其他应用领域.颗粒污泥拥有高容积负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性[1]，在较高的有机负荷下，形成的好氧颗粒粒径较大且更为紧密，不过其生物活性下降[2].但过高的负荷条件下好氧颗粒污泥会解体，沉降性能下降，导致系统无法正常运行[3].牟丽娉等人用模拟废水研究了好氧颗粒污泥的脱氮性能，在较低运行温度（11-13℃）下每克干颗粒的脱氮能力为372.0mgd-1[4].赵永贵等对好氧颗粒污泥进行同时脱氮除碳的研究表明，COD和NH4+-N负荷分别在4.80-12.6kgm-3d-1和0.217-0.503kgm-3d-1时，好氧颗粒污泥对COD和NH4+-N表现出较好的去除效果[5].在污水处理方面，好氧颗粒污泥是一项很有前景的生物处理技术.好氧颗粒污泥是由数百万计的不同微生物形成的微生物聚合群落，细胞与细胞之间相互作用，不同的微生物在降解复杂的废水组分时分工协作.研究发现，细胞间的交流一直是普遍存在的现象，Fuqua将这种细胞间的相互作用称为收稿日期Received:2013-03-20接受日期Accepted:2013-04-15*中国科学院环境与应用微生物重点实验室开放基金（KLCAS-2011-02和KLCAS-2012-04）资助SupportedbytheOpenFundfromKeyLaboratoryofEnvironmentalandAppliedMicrobiology,ChineseAcademyofSciences(KLCAS-2011-02andKLCAS-2012-04)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])好氧颗粒污泥耐受高碳氮负荷过程中的群体感应*陈国科1,2黄钧1**毕京芳1,2关梦龙1,21中国科学院成都生物研究所，中国科学院环境与应用微生物重点实验室，四川省环境微生物重点实验室成都6100412中国科学院大学北京100049摘要为了探究好氧颗粒污泥耐受高负荷碳氮的生物学机制，对比分析了不同负荷条件下好氧颗粒对污染物的去除、形体结构和群体感应现象.结果表明，好氧颗粒污泥具有同时耐受高碳氮负荷的能力，当进水COD负荷为12.9kgm-3d-1时去除率为90%以上，NH4+-N负荷为0.455kgm-3d-1时去除率在80%以上.随着负荷的提高，颗粒的粒径不断减小，这可能增强颗粒的传质传氧作用.在进水负荷COD8.9-10.9kgm-3d-1、NH4+-N0.355-0.455kgm-3d-1时，AI-2活性较强，微生物之间相互交流比较活跃，并且保持较好的COD和NH4+-N去除效果.好氧颗粒污泥内部的AI-2活性高于出水溶液.研究表明，群体感应可能在好氧颗粒污泥同时耐受高碳氮负荷中发挥着重要的作用.图3表2参31关键词好氧颗粒污泥；高碳氮负荷；群体感应；AI-2；种间交流CLCX172:X703Quorumsensingofaerobicgranularsludgetoleratinghighcarbonandnitrogenloads*CHENGuoke1,2,HUANGJun1**,BIJingfang1,2&GUANMenglong1,21KeyLaboratoryofEnvironmentalandAppliedMicrobiology,EnvironmentalMicrobiologyKeyLaboratoryofSichuanProvince,ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,ChinaAbstractInordertoinvestigatethebiologicalmechanismofaerobicgranularsludgetoleratinghighcarbonandnitrogenloads,pollutantsremoval,physicalstructureandthequorumsensingphenomenonofaerobicgranulesindifferentloadconditionswereanalyzedandcompared.Theaerobicgranularsludgeshowedexcellentabilitytoresisthighcarbonandnitrogenloadssimultaneously.TheremovalefficienciesofCODandNH4+-Nwereover90%and80%respectively,whiletheloadingrateswere12.9kgm-3d-1forCODand0.455kgm-3d-1forNH4+-N.Granuleparticlesizedecreasedwithincreasingloads,whichcouldenhancetransferenceofnutrientandoxygeninthegranule.IntheloadphaseofCOD8.9-10.9kgm-3d-1andNH4+-N0.355-0.455kgm-3d-1theAI-2activitywasstrong,resultinginmuchmoreactivecommunicationamongmicroorganisms.Furthermore,excellentCODandNH4+-Nremovalefficiencywasmaintained.TheactivityofAI-2inAGSwasmuchmorethanthatineffluent.Thisresearchshowedthatthequorumsensinginvolvedinaerobicgranularsludgemightplayanimportantroleinenduranceofsimultaneoushighcarbonandnitrogenloads.Keywordsaerobicgranularsludge;highcarbonandnitrogenloads;quorumsensing;autoinducer-2;interspecificcommunication74应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol好氧颗粒污泥耐受高碳氮负荷过程中的群体感应1期群体感应（Quorumsensing，QS），群体感应是细菌通过分泌可溶性信号分子（Autoinducer，AI）来监测群体密度并协调细菌生物功能的信息交流机制[6].可溶性的信号分子的浓度随着种群密度的增加成比例地增高，当达到一定阈值水平，细菌通过细胞内受体感知信号分子的存在，在群体范围内调控一些相关基因的表达，表现出与低浓度状态下不同的生理行为或功能[7-8]，例如菌体发光[9]、生物膜形成[10-12]和抗生素的产生[13-14]等.AI-2分子为一种种属特异性较低的、介导细菌种属间信息交流的信号分子，Zhang等人和Xiong等人的研究均表明AI-2可以促进好氧颗粒污泥的成熟和稳定[15-17].好氧颗粒污泥的形成和作用机制极其复杂，它之所以具有耐受高碳氮负荷的能力，可能为诸多因素相互作用共同协调的结果，包括好氧颗粒污泥的形态结构、胞外多聚物的含量和种类、微生物群落结构以及反应器运行条件等.作为一个微生物的聚集体，最根本的因素当属微生物群落，特别是微生物种类和数量.当前，好氧颗粒污泥系统内微生物之间相互作用（群体感应）与进水负荷的关系还未有报道.本研究逐步提高进水COD和NH4+-N负荷，对比分析了在此过程中好氧颗粒污泥对污染物的去除、形态结构及微生物之间相互作用的变化；采用检测反应器内AI-2分子的存在与否以及信号的强弱来反映系统中微生物之间的交流情况.通过探讨进水负荷对好氧颗粒污泥反应器中群体感应的影响，旨在揭示好氧颗粒污泥系统耐受高碳氮负荷的生物学机理，对以后好氧颗粒污泥处理高碳氮浓度废水将具有一定的指导意义.1材料与方法1.1试验材料1.1.1反应器试验装置为圆柱形，反应器材质为有机玻璃.内径8cm，高度100cm，有效容积4L.4个取样口，依次距底面60cm、50cm、40cm、30cm.2个排泥口，一个距底面10cm，一个在反应器底部.反应器供气装置采用ACO-012电磁式空气压缩机和微孔曝气头，曝气量大小采用玻璃转子流量计LZB-6（余姚远大仪表厂）控制.1.1.2接种污泥本实验室保藏的好氧颗粒污泥，接种量为15%.污泥活化后，反应器内污泥量约1500mL，颗粒化程度50%左右，COD和NH4+-N去除率分别稳定在97%和85%左右.1.1.3实验用水猪场原水取自四川某养猪场.进水是经孔径为0.9mm左右纱布过滤后，用自来水稀释并添加一定量的葡萄糖或硫酸铵配制而成.1.2试验方法1.2.1运行条件整个实验采用批次进水的方式运行，逐渐提高负荷.运行周期时间为12h，分别为：进水1min，沉降约1-10min，排水1min，其余为曝气时间.每一个运行周期进水2L，体积交换率为50.0%.反应系统崩溃后，采用降低进水负荷等措施进行修复；待反应器运行正常，用负荷提升期的最高进水负荷对恢复后的运行系统再次进行冲击试验.具体运行条件见表1.整个运行过程中检测进出水COD、氨氮、硝态氮和亚硝态氮浓度.1.2.2COD、氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮测定进水样品摇匀后取样；出水样品5000rmin-1离心6min后取上清液分析，采用德国WTWCR3200加热消解器和PhotoLabS6100多功能水质分析仪及其配套试剂（MECK）测定.1.2.3颗粒化程度取反应器内泥水混合物100mL，在量筒中静置30min后，颗粒的体积量占污泥总量的百分比.1.2.4AI-2信号分子的检测分别测定了反应器出水和好氧颗粒污泥样品中的AI-2.待测样品处理以及荧光强度的测定参见文献[18]，关于颗粒污泥的无细胞待测液制备和AI-2活性计算见如下说明.颗粒污泥无细胞待测液制备：（1）取好氧颗粒污泥1.0g置于匀浆器内匀浆或者在研钵内稍微研磨成糊状.（2）称研磨后样品0.2g于2mL离心管，加入1.0mL去离子水后在旋转振荡器上震荡2min.（3）4℃，12000g离心10min，然后上清液经过0.22μm的滤膜过滤，即获得无细胞待测液，在-20℃保存备用.表1反应器运行条件Table1Operatingconditionsofthereactor运行时期Operationstage负荷提升期Loadincreasingphase恢复期Recoveryphase负荷冲击期Loadshockphase负荷阶段LoadphaseⅠⅡⅢⅣⅤⅥ运行天数Operationtime(t/d)61223212527188运行周期Operationcycle(t/h)1212121212121212体积交换率Volumetricexchangeratio(r/%)5050505050505050曝气量Aerationrate(V/Lmin-1)3.53.53.53.53.53.53.03.5COD负荷CODload(ρ/kgm-3d-1)6.97.98.99.910.912.96.912.9NH4+-N负荷NH4+-Nload(ρ/kgm-3d-