磁场对短程硝化微生物群落结构和酶活性的影响

赵校宇 张凤军 孙绍钧 孙绍芳 王嘉斌

文章編号：1671-3559（2024）03-0295-05DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230403.001

摘要： 为了探明磁感应强度对短程硝化系统的影响机制，构建磁性序批式活性污泥法反应器，对比磁感应强度对短程硝化过程氮转化的影响规律，并通过高通量测序等分子生物学手段研究磁场对微生物群落结构和酶活性的影响。结果表明：磁场对短程硝化过程有显著影响，在磁感应强度为10、 15 mT的磁场作用下，氨氮去除率低于无磁场对照组的；在磁感应强度为5、 10 mT的磁场作用下，所构建反应器的亚硝态氮累积率高于无磁场对照组的；磁场对所构建反应器中微生物群落结构和酶基因相对含量产生影响，当磁感应强度为5 mT时，OLB8菌群、 亚硝酸盐氧化酶的相对丰度减小，氨单加氧酶和羟胺脱氢酶的相对丰度增大，亚硝态氮累积效果更优。

关键词： 磁场； 短程硝化； 微生物群落； 酶活性； 影响机制

中图分类号： X703

文献标志码： A

开放科学识别码（OSID码）：

Effects of Magnetic Field on Structure and Enzyme Activity of

Short-range Nitrification Microbial Community

ZHAO Xiaoyu1， ZHANG Fengjun2， SUN Shaojun3， SUN Shaofang1， WANG Jiabin1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Shandong Fangyun Software Technology Co.， Ltd.， Jinan 250100， Shandong， China;

3. Qingdao Municipal Engineering Design Research Institute Co.， Ltd.， Qingdao 266061， Shandong， China）

Abstract： To explore the influence mechanism of magnetic induction intensity on the short-range nitrification system， magnetic sequencing batch activated sludge method short-range nitrification reactors were constructed， effect laws of magnetic induction intensity on nitrogen conversion in short-range nitrification process were compared， and effects of magnetic field on structure and enzyme activity of microbial community was researched by using molecular biology technology such as high-throughput sequencing. The results show that the magnetic field has significant effects on the short-range nitrification process， under the action of magnetic field with the magnetic induction intensity of 10 mT and 15 mT， the removal rate of ammonia nitrogen is lower than that of the control group without magnetic field. Under the action of magnetic field with the magnetic induction intensity of 5 mT and 10 mT， the nitrous nitrogen accumulative rate of the constructed reactors is higher than that of the control group without magnetic field. The magnetic field affects the microbial community structure and the relative content of enzyme genes in the constructed reactors. When the magnetic induction intensity is 5 mT， the relative abundances of OLB8 flora and nitrite oxidase decrease， the relative abundances of ammonia monooxygenase and hydroxylamine dehydrogenase increase， and the nitrous nitrogen accumulation effect is better.

Keywords： magnetic field; short-range nitrification; microbial community; enzyme activity; influence mechanism

收稿日期： 2023-02-15          网络首发时间：2023-04-03T16：42：12

基金项目： 国家自然科学基金项目（52100088）；济南大学科技项目（XBS2001）

第一作者简介： 赵校宇（1998—），女，山东临沂人。硕士研究生，研究方向为市政工程。E-mail： 1275238799@qq.com。

通信作者简介： 王嘉斌（1979—），男，山东济南人。教授，博士，硕士生导师，研究方向为市政工程。E-mail： cea_wangjb@ujn.edu.cn。

网络首发地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230403.1539.002.html

根据《2020年中国生态环境统计年报》，全国含氮废水年排放量为9.84×105 t，氮污染成为日益严重的环境问题［1］。传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺需要补充碳源且能耗过高［2］，厌氧氨氧化和同步硝化反硝化（SND）等新型工艺具有曝气能耗低、碳源需求量小等优点［3-4］，其中短程硝化作为亚硝态氮（NO-2-N）累积的重要过程［5］，是影响新型生物脱氮工艺应用的关键环节。

李强［6］对序批式活性污泥法（SBR）反应器内短程硝化反硝化脱氮过程进行研究发现，溶解氧（DO）、 氧化还原电位（ORP）、 pH等影响因子对短程硝化过程的影响较为明显。 罗珊等［7］研究了循环式活性污泥法（CAST工艺）短程硝化反硝化的快速启动过程， 结果表明， 温度、 DO、 pH及菌剂接种对NO-2-N累积率影响较大。 呼晓明等［8］采用流化床工艺， 通过控制温度为（31±1）℃、 DO的质量浓度为1.5～2.5 mg/L、 pH为8.0～8.5， 将短程硝化的启动时间缩短到42 d。 徐浩等［9］采用SBR工艺， 在温度为（30±1）℃、 pH为7.8～8.2、 DO的质量浓度为2.5 mg/L的条件下， 运行35 d成功启动短程硝化。 李柏林等［10］采用SBR工艺， 在更低的DO质量浓度（1.42～1.53 mg/L）环境下， 将短程硝化的启动时间缩短到30 d。

磁场能影响微生物的群落结构和酶活性， 有效提升污泥处理效能［11］。 Ren等［12］研究发现， 磁感应强度为15～25 mT的磁场可以提升细胞膜的通透性， 增强微生物的活性。 Ni等［13］研究发现， 磁性纳米颗粒的投加量为50 mg/L时对增强硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性效果较好。王强［14］用施加磁场的方式将SBR反应器硝态氮（NO-3-N））去除率与微生物脱氢酶活性分别提高7.2%和238%。 孙紹钧等［15］研究发现， 磁性滤料可以优化脱氮功能菌的群落结构与功能基因， 提升生物滤池的脱氮效能。 耿淑英等［16］研究发现， 磁感应强度为30～150 mT的磁场可以影响微生物的群落结构与酶活性，从而提高污染物去除率。

本文中通过构建外加磁场SBR反应器，研究磁场对短程硝化的影响，采用分子生物学技术分析磁场对短程硝化菌群结构和酶基因的影响规律，解析其分子生物学机制。

济南大学学报（自然科学版）第38卷

第3期赵校宇，等：磁场对短程硝化微生物群落结构和酶活性的影响

1  材料与方法

1.1  实验装置

实验采用有效容积为2 L的SBR反应器，如图1所示。该反应器采用有机玻璃制作，内设温控装置，外设串联通电线圈提供磁场。4组SBR反应器编号为R0、 R1、R2和R3，对应的磁感应强度分别为0、 5、 10、 15 mT。

1.2  实验用水

反应器进水由实验室配制，氯化铵用于提供氨氮（NH+4-N），碳酸氢钠、 碳酸钠用于提供碱度与无机碳源，磷酸二氢钾用于提供无机磷源。氯化铵、 磷酸二氢钾的质量浓度分别为200、 20 mg/L，碳酸氢钠、 碳酸钠的浓度分别为20、 5 mmol/L。实验进水NH+4-N的质量浓度控制在195 mg/L左右，pH控制在7.8左右。

1.3  反应器的运行条件

反应器接种前期絮状黄褐色短程硝化实验污泥， 污泥质量浓度为3 000 mg/L， 35 ℃恒温运行， 运行周期为8 h， 每个流程进水5 min， 好氧缺氧交替运行（曝气30 min、 搅拌30 min）7次， 静置45 min， 出水10 min。 水力停留时间为16 h， 曝气量为0.2 L/min， 污泥停留时间（SRT）为15 d。

1.4  污泥取样和微生物测序方法

取反应器内运行15 d的污泥， 利用Illumina NovaSeq测序平台， 使用引物341F（5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTATCTAAT-3′）对核糖体核糖核酸（16S rDNA）内V3—V4区域进行聚合酶链式反应（PCR）扩增。 基于QIIME2平台，利用区别扩增子降噪算法DADA2对16S rRNA功能基因等特定区段的高通量测序序列进行错误校正， 获得每个样本的区别扩增子序列变异（ASVs）代表序列及丰度， 基于序列降噪结果进行微生物多样性分析。 选用PICRUSt2软件对样本中的微生物群落进行功能预测分析， 基于京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库进行基因注释。

2  结果与分析

2.1  反应器运行效果

4组反应器在不同磁感应强度时运行，进水NH+4-N浓度与去除率随时间的变化如图2所示。从图中可以看出： 磁感应强度对硝化过程有较明显的影响。反应器R0、 R1中NH+4-N去除率较高且比较稳定； 反应器R2中NH+4-N去除率在下降至70%后又恢复至98%，后期保持平稳； 反应器R3内NH+4-N去除率下降至62%，后期缓慢恢复至80%左右。上述结果说明： 磁感应强度较小（0、 5 mT）时磁场不会对反应器的硝化过程产生明显抑制作用； 磁感应强度增加到10 mT时，磁场会对反应器的硝化过程产生冲击， 但微生物能够快速适应； 磁感应强度增大到15 mT时，磁场对硝化过程的抑制作用较为明显， 且表现出持续抑制现象。 据此可以推测， 氨氧化细菌（AOB）能较好地适应磁感应强度为0～10 mT的磁场环境， 继续增大磁感应强度，其活

反应器氨氮（NH+4-N）去除率的影响

性会受到一定的抑制。

为了进一步探究磁场对硝化过程中AOB、 亚硝酸盐氧化细菌（NOB）菌群的影响规律，对反应器进出水NH+4-N浓度差与出水NO-2-N、 NO-3-N浓度数据进行分析，如图3所示，反应器NO-2-N累积率（NAR）变化如图4所示。

对比图3、 4中整个实验周期内各反应器出水NO-2-N、 NO-3-N浓度和NAR变化可知： 当磁感应强度为5、 10 mT时， NOB菌群代谢过程受到抑制，有利于NO-2-N的累积；磁感应强度为15 mT的磁场有利于NOB菌群的代谢过程，不利于NO-2-N的累积。如图3所示，与反应器R0相比，反应器R3内NO-3-N浓度偏高，NO-2-N浓度偏低，NO-2-N的质量浓度从108 mg/L降至50 mg/L，NO-2-N累积效果较差。由图4可知，反应器R1、 R2的NAR分别比反应器R0的大12％和5％，反应器R3的NAR稳定在42％左右，比空白组的低约25％，表明磁感应强度为5 mT的磁场环境最有利于短程硝化过程，继续增大磁感应强度不利于短程硝化过程。

磁感应强度为5 mT的磁场对反硝化过程具有抑制作用，而磁感应强度为15 mT的磁场则有利于反硝化过程的进行。如图3所示，反应7 d后反应器R0、 R2、 R3的进出水NH+4-N浓度差均大于或等于出水NO-2-N、 NO-3-N浓度之和，反应器R1的进出水NH+4-N浓度差则小于或等于出水NO-2-N、 NO-3-N浓度之和，据此可推测在DO浓度较低、 添加无机碳源的进水条件下，反应器R0、 R2和R3内不仅存在短程硝化，也存在SND。反应器R2的反硝化程度与反应器R0的一致，反应器R1的反硝化现象最不明显，原因可能是磁感应强度较小（5 mT）的磁场对NOB菌群代谢过程有抑制作用，出水NO-3-N浓度偏低，从而影响到了反硝化过程。反应器R3的反硝化现象最明显，由图2可知，该反应器的氨氮去除率最弱，原因是磁感应强度较大的磁场作用导致反应器内菌群活性偏弱，对DO、 底物、 碳源的消耗较慢，从而为相对丰度较小的NOB、 反硝化菌群创造了相对适宜的反应条件。

2.2  微生物群落结构的变化

各反应器内主要微生物群落属水平上的相对丰度如图5所示。 由图可知： 与反应器R0相比较， 在属水平上， 磁场作用下的微生物菌群结构组成表现出较丰富的多样性， 不同菌属的相对丰度有显著變化。 磁场作用不利于假单胞属菌群、 亚硝化单胞菌群的生长， 且磁场越强影响越明显。 假单胞菌属是生物脱氨过程执行氨氧化和反硝化功能类菌群， 属于AOB和反硝化菌， 其在SND系统也发挥重要作用， 亚硝化单胞菌属于AOB， 是生物脱氨过程执行氨氧化功能类菌群［16］。 随着磁感应强度的增大， 假单胞属和亚硝化单胞菌群的相对丰度均逐渐减小。

磁感应强度为5 mT的磁场环境不利于反硝化功能类菌群OLB8［17］的生长， 磁感应强度增大至15 mT则有助于OLB8菌群的生长。 各反应器中OLB8菌群的相对丰度按所在反应器R1、 R0、 R2、 R3的顺序依次增大， 较好地解释了图3中磁感应强度为5 mT磁场环境不利于反硝化进程， 而磁感应强度为15 mT磁场环境有助于反硝化反应发生的现象。

磁感应强度为15 mT磁场作用可以促进硝化螺旋菌群生长。硝化螺旋菌属属于NOB，是生物脱氨过程执行硝化功能类菌群［18］，其在反应器R3的相对丰度为11.13%，而在反应器R0、 R1、 R2中几乎不存在，与图3中反应器R3出水NO-3-N浓度偏高的结果一致。

2.3  氮代谢途径基因分析

不同反应器中微生物群落中14种氮代谢途径基因丰度如图6所示。由图可知： 相较于反应器R0，氨单加氧酶和羟胺脱氢酶对应的基因amo、 hao在反应器R1中相对丰度较大，在反应器R2、 R3中的相对丰度较小，原因是氨单加氧酶和羟胺脱氢酶可分别氧化非离子氨和羧氨，均对氨氧化过程有重要作用［19］；亚硝酸盐氧化还原酶和硝酸盐还原酶narGZ、 nxrA和narHY、 nxrB在反应器R1、 R2中相对丰度较小，而在反应器R3中的相对丰度较大，原因是亚硝酸盐氧化还原酶和呼吸型硝酸盐还原酶是微生物中催化亚硝酸盐氧化为硝酸盐及其逆过程的

关键酶［20］。这一结果与磁感应强度为5、 10 mT时亚硝酸盐累积效果好且NAR高，而磁感应强度为15 mT时NAR偏低的结果一致。

3  结论

1）磁感应强度适当的磁场作用可以有效促进短程硝化过程。 磁感应强度为5 mT的磁场环境促进短程硝化过程效果最佳； 磁感应强度为10 mT的磁场会对硝化过程产生一定程度的抑制； 磁感应强度为15 mT的磁场对硝化过程表现出持续抑制现象， 有利于反硝化过程的进行， 不利于短程硝化过程。

2）磁场对短程硝化过程的影响主要通过对优势菌群演替的诱导优化实现。 磁场增强时假单胞菌群和亚硝化单胞菌群的相对丰度减小。 磁感应强度为5 mT时OLB8菌群的相对丰度减小， 磁感应强度为15 mT时OLB8菌群、 硝化螺旋菌相对丰度增大。

3）磁场对群落结构演替的诱导与优化会引起氮代谢途径基因丰度的变化。磁感应强度为5 mT时氨单加氧酶和羟胺脱氢酶的基因丰度增大，亚硝酸盐氧化酶的基因丰度减小；磁感应强度为10 mT时， 氨单加氧酶amo、 羟胺脱氢酶和亚硝酸盐氧化酶的基因丰度均减小； 磁感应强度为15 mT时， 氨单加氧酶amo和羟胺脱氢酶的基因丰度减小， 亚硝酸盐氧化酶的基因丰度增大， 表明磁感应强度为5、 10 mT的磁场环境利于短程硝化过程，而磁感应强度为15 mT的磁场环境不利于短程硝化过程。

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（责任编辑：刘  飚）