不同碳源驯化活性污泥后其生物多样性的差异及对反硝化的影响的研究

马玉川，吴 峰，王洪亮，周 鑫，董晓姝

1.江苏金山优水爱环保科技有限公司，江苏 宜兴 214212；2.沈阳市水务事务服务中心，辽宁 沈阳 110065；3.国能辽宁环保西部污水处理厂，辽宁 沈阳 110178

新型碳源-麦可碳2000 在国内工程中的应用已将近四年，却很少有研究来探究其驯化后活性污泥的生物多样性、微生物群落组成以及其对反硝化反应的影响，其生化通道和代谢途径尚处于未知状态。为了了解新型碳源-麦可碳与传统碳源在生物多样性、微生物群落结构以及对反硝化影响方面的相似性和差异，笔者运用高通量测序技术对反应器内的微生物群落结构进行分析，以期为污水处理厂增强系统的反硝化作用、降低运行成本、更合理经济地选择外加碳源提供有效的理论参考。

1 污水处理厂背景情况

参与试验的污水处理厂位于我国东北部，日处理能力为15 万t/d，A2/O 工艺，分2 期建设，分为老区和新区，每个区又分为东西2 条线。2 组生化系统，其工艺条件、外部环境、边界条件及运行工况都高度相似，从生化反应器到沉淀池都相互独立，为不同碳源的比较试验提供了较好的条件。

该厂在过去2年内一直使用固体三水乙酸钠作为补充外加碳源，运行基本正常，出水稳定达标，只有在冬季极寒天气下乙酸钠的投加量较正常时期有大量增加。由于污水处理厂的运行管理水平较高，所以整个生化反应器中的污泥形状良好，污泥质量浓度长期维持在4 000～6 000 mg/L 之间。表1 为试验前污水处理厂的进出水平均数据及实际碳源投加量。

表1 污水处理厂新、老区平均进出水数据

2 污泥驯化阶段

鉴于该污水处理厂长期使用乙酸钠，故其老区生化池的活性污泥可以视为已经驯化完成。因此，从2021年10月10 日开始，就开始在污水处理厂新区中用麦可碳逐步替代乙酸钠了，到10月21 日实现了完全替代。此后在保证新区出水稳定达标的情况下，用麦可碳持续驯化新区的活性污泥，时间长达30 d。

3 样品采集

10月21 日开始分别从新、老区缺氧池中取样，每隔15 d 取1 次，累计取3 次。表2 为老区（L）、新区（X）取样时段列表。

表2 样品取样时间表

4 总NDA 的提取

本样品由微基生物科技（上海）有限公司进行文库制备（基因组DNA 抽提，PCR 扩增，AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒回收，用FTC-3000TM real-time PCR 仪进行实时荧光定量），然后进行illumina 高通量测序及生物信息学分析。

Illumina 测序实验流程如图1 所示。

图1 Illumina 测序实验流程图

5 Alpha 多样性差异分析

过往对传统碳源的研究发现，相同边界条件下不同碳源对微生物多样性的影响略有差异。从表3可以看出微生物样本覆盖率接近100%，说明本次测序结果是可信的。通过对Chao、Ace、Shannon 和Simpson 等指数进行观察、对比，发现新、老区经2种不同碳源驯化培养后的微生物，其群落多样性仅存在细微的差异，但对活性污泥均有较强的适应性。

表3 生物多样性指数表

6 微生物群落结构差异分析

对2 组样品在门水平（Phylum）上微生物群落的组成情况进行比较，发现2 组样品活性污泥中的微生物群落主要由变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）等组成，这与早期的研究结果一致[1]。但其相对丰度存在较大的差异，乙酸钠作为碳源时其变形菌门和放线菌门分别是54.2%和20%，而麦可碳组的变形菌门和放线菌门分别为29.7%和50.1%。Proteobacteria 与Actinobacteria 是活性污泥中常见的优势菌种。

在门水平上反映出的Proteobacteria 与Actinobacteria 的相对丰度可以体现两种碳源对微生物的选择差异性。麦可碳组放线菌门的丰度显著增加，推测可能与麦可碳的代谢途径有关。

2 种样品在群落结构（Genus）上也存在较大差异，麦可碳组优势菌种的丰度明显高于乙酸钠组。乙酸钠组中丰度前十的其他菌属依次为：Proteobacteria 、Anctinobacteria 、Micropruina 、Intrasporangium、Alicycliphilus、Actinosynnema、Bosea、Acidovorax、Stenotrophomonas、Comamonas。麦可碳组中丰度前十的其他菌属依次为：Proteobacteria、Anctinobacteria 、Micropruina 、Intrasporangium 、Alicycliphilus、Actinosynnema、Bosea、Acidovorax、Comamonas、Tessaracoccus[2]。

7 对反硝化的影响

经2 种碳源驯化后的活性污泥除了优势菌种Proteobacteria 和Anctinobacteria 外，经麦可碳驯化后的活性污泥中尽管有部分反硝化功能菌种的丰度低于乙酸钠组，但Micropruina 和tessaracoccus 均较乙酸钠组的丰度有了显著的提升，实现了富集。这2类菌属均与反硝化菌有关，使麦可碳反硝化功能菌种的总丰度得到了提高，因此经麦可碳驯化的活性污泥的反硝化功能比乙酸钠的更强。

Tessaracoccus 是一类兼性厌氧菌，存在于活性污泥、海底沉积物、被油污染的含盐土壤中，环境适应能力较强，该菌种与碳循环密切相关[3]。

8 结论

经乙酸钠与麦可碳驯化后的活性污泥在生物多样性方面相仿，仅存在微弱的差异，即乙酸钠的多样性指数略高于麦可碳。尽管其各自拥有独特的菌种，但从工程应用上来看并没有显著的区别。样品数据显示，微生物群落的差异主要体现在优势菌种的相对丰度上，即总的反硝化功能菌种的丰度上，麦克碳优于乙酸钠。通过表2 中新、老区的出水总氮以及碳源实际投加量的数据可以看出，乙酸钠和麦可碳的COD 贡献值分别为：41.25 mg/L 和31.68 mg/L，即在出水总氮相同的条件下，麦可碳组的脱氮效率高于乙酸钠组，也验证了结论2。推测其原因可能是试验阶段的水温偏低，最低水温仅在12 ℃左右，这也凸显了麦可碳的低温优势。但本研究也存在不足之处，本次研究中麦可碳驯化活性污泥的时间仅为1 个月，而乙酸钠驯化时间已长达几年。经麦可碳驯化的活性污泥中微生物菌落结构尚未达到完全稳定状态，有待进一步研究。