焦化废水对菌藻颗粒污泥的微生物群落及代谢基因的影响

黄雪颖，陈 威，王 旭，余 哲，柯新语，王家乐

(武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430081)

0 引言

近年来，好氧颗粒污泥被证明在处理焦化废水上有巨大潜力[9]。但好氧颗粒污泥需要高曝气量，还会增大污水厂能耗。微藻可以将O2提供给异养好氧细菌，进而促进有机污染物的降解，并将细菌呼吸释放的CO2用于自身的生长[10]。在此基础上，文献[11]采用一种低曝气式的菌藻颗粒污泥系统(microalgae bacteria granular sluge,MBGS)用于污水处理中。文献[12]基于序批式悬浮生物膜反应器建立了一种菌藻共生体系，去除生活污水中的氮和磷，该系统对总氮的去除率为 69.91%，有良好的脱氮效果。文献[13-14]研究了MBGS对市政和养殖废水的去除情况，均取得了良好的效果。但对MBGS处理毒性焦化废水的研究仍很少。因此，对于利用MBGS低能耗、高效地处理焦化废水的研究是有意义的。

本文主要研究序批式反应器(sequencing batch reatcor,SBR)中MBGS对焦化废水处理的运行效能，并采用分子生物学手段对菌藻颗粒污泥中微生物的16S核糖体脱氧核糖核酸(ribosomal deoxyribonucleic acid,rDNA)基因进行聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)扩增，并构建基因文库,分析其细菌群落结构和多样性，并应用宏基因组学对微生物的代谢功能进行分析，探究MBGS焦化废水中污染物去除机理。

1 材料与方法

1.1 试验装置及运行

采用SBR接种已经培养成熟并长期稳定的MBGS[13]，试验用水采用焦化废水。反应器有效容积为2.5 L，接种污泥质量浓度(mixed liquor volatile suspended solid,MLVSS)为1 000 mg/L。反应器设有机械搅拌装置，搅拌强度为175 r/min。反应器外侧设有灯带，提供光照，光照强度为1 000 Lux，光照时间与曝气时间一致。曝气采用鼓风曝气，曝气周期4 h，曝气量3 min/L，好氧段溶解氧(dissolved oxygen,DO)为7.5～7.8 mg/L,厌氧段DO为0.2～0.8 mg/L。反应器运行方式为A/O，进水5 min，排水5 min，其中厌氧段4 h，好氧段4 h，水力停留8 h，无污泥排放。本试验不额外投加碳源，投加碳酸氢钠维持反应器中pH为7.0～8.0。投加的菌藻颗粒污泥的平均粒径为0.3 mm。

表1 进水具体参数 mg/L

本试验用水取自湖北省咸宁市某炼钢厂调节池，配水质量浓度与该炼钢厂一级生化池内水质相同，其进水具体参数如表1所示。

1.2 分析方法

2 结果与讨论

(a) 硝氮进出水曲线图 (b) 亚硝氮进出水曲线图

3 微生物群落结构分析

3.1 生物丰富度和多样性

图2 微生物Alpha多样性指数

图2为微生物Alpha多样性指数。Ace指数和Chao指数是描述群落丰富度的指标，其数量越高，代表更多的细菌丰富度。Shannon指数和Simpson指数是呈现细菌多样性的指标，Shannon指数越高多样性越高，而Simpson指数越高多样性越少[17]。图2中，稀疏曲线说明测序深度足够；Ace指数和Chao指数曲线逐渐趋向平缓，说明MBGS中有较高的微生物丰富度；Simpson指数和Shannon指数曲线逐渐趋向平缓，说明MBGS有较为多样的微生物群落。

由此说明，在焦化废水处理过程中，菌藻颗粒污泥保持较高的微生物丰度与菌属多样性，证实了微生物具有抵御环境波动的能力。

3.2 物种群落组成分析

样品中陶厄氏菌属(Thauera, 28.47%)为优势菌属，其次是黄杆菌属(Flavobacterium，25.01%)、短波单胞菌属(Brevundimonas，6.38%)、丛毛单胞菌属(Comamonas，5.96%)、动胶菌属(Zoogloea，5.66%)、奇球菌属(Dechloromanas，2.26%)和异常球菌属(Deinococcus,2.08%)等。

根据文献[17-21]，以上菌属皆有反硝化功能，而其中有些菌属还有降解有毒物质的功能。因此MBGS对焦化废水有良好的COD与氨氮去除功能。Thauera可利用有机碳源作为生长基质，促进苯酚、芳烃类物质的去除[17]。Flavobacterium可以降解萘、芘和其他种类的多环芳烃[19, 22]。Brevundimonas和Comamonas被归因于有氧化学异养和芳香化合物降解功能细菌[23-24]。Zoogloea具有降解多种复杂有机物的能力[20]。

4 污染物降解机理

图3 焦化废水中苯酚的代谢途径[25]

微生物降解主要作用基因为ligA[25]。图3为焦化废水中苯酚的代谢途径。在MBGS中，基因ligA与Thauera、Flavobacterium、Brevundimonas、Comamonas相关。这些细菌在ligA所对应的酶的催化作用下，将多环芳烃中的苯环开环，变成易降解有机物，因此易降解有机物被生物利用，进行代谢。

5 氮循环代谢途径

与文献[31]中MBGS去除焦化废水的结果对比发现，硝化作用中的关键步骤氨单加氧酶Amo和羟胺氧化酶Hao在本次试验样品中均未被检测到，说明本试验的氮去除不是通过传统的硝化与反硝化。这是因为文献[32]的废水中不含生物抑制作用的H2S和KSCN，所以对氮通路影响不大。

另外，分析发现焦化废水中的硝基烷烃(nitroalkane)也参与了氮的代谢。Nitroalkane在酶1.13.12.16作用下被氧化为亚硝酸盐[32]。

通过以上分析可知，MBGS有着优秀的抗生物抑制性，能够有效地处理焦化废水，是一种有应用前景的污水处理方法。

图4 通过KEGG注释的脱氮途径

6 结论

(1)该体系的COD、氨氮和TIN的平均去除率分别为 74.01%、79.97%和57.39%，说明菌藻颗粒污泥对焦化废水进行了有效降解。

(2)经高通量测序分析， MBGS保持较高的微生物丰富度与多样性，能够抵御环境的波动，Thauera和Flavobacterium为优势菌种。

(3)通过宏基因组学分析发现开环基因ligA丰富度很高。

(4)菌藻颗粒污泥在处理焦化废水时，主要的脱氮途径是异化硝酸盐还原作用和氨的解毒代谢。