典型EDCs对活性污泥微生物种群及功能的影响研究

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在全球范围内,污水处理厂一直是污水处理中最重要的环节。其中,活性污泥法及其衍生改良工艺是处理生活污水最广泛使用的方法。但是随着城市发展、医药生产以及农业活动等,污水处理厂的进水中出现了很多新兴污染物。由于活性污泥法的局限性,导致新兴污染物不能得到有效去除,甚至会影响到活性污泥正常的生理生化指标和污染物去除功能。内分泌干扰物(EDCs)在环境中极低的浓度就能对人类健康和生态环境产生严重的干扰效应。因此,近年来由其引起的生态环境问题以及生物体健康安全引起广泛关注,但是EDCs对活性污泥的影响和机制仍不清晰。本文研究双酚A(BPA)、17α-乙炔基雌二醇(EE2)和17β-雌二醇(E2)三种典型的EDCs对城市污水处理厂活性污泥微生物群落和功能的影响。通过16S r RNA测序技术,在菌门和种属水平上比较活性污泥微生物种群生态位变化,研究EDCs对活性污泥的菌群结构以及活性污泥功能的影响;通过检测水质、活性污泥理化指标、胞外聚合物和脱氢酶活性以及微生物活菌比等,研究EDCs对活性污泥氨氮和磷的去除以及沉降性能等功能的影响。通过投加功能微生物,研究EDCs胁迫下的活性污泥进行生物修复效果,分析生物强化菌对水质净化与降解能力的影响。研究结果表明:(1)EDCs影响活性污泥微生物菌群结构。活性污泥暴露不同EDCs条件下,BPA、EE2和E2都能影响活性污泥微生物的种群结构,导致活性污泥微生物种类减少,在细菌门、属、种水平上表现出较大的差异性。在菌门水平上,高浓度的(50 mg/L)BPA对活性污泥优势菌门微生物丰度呈分化性影响。Proteobacteria丰度呈增加态势,达到了99.7%。而Bacteroidetes与Patescibacteria的丰度一直在减少,EDCs的存在不利于后者微生物的生长繁殖。在菌属水平上,三种EDCs使驯化污泥中有机物降解菌和脱氮除磷菌(Nitrospira、Polaromonas、Dechloromonas)丰度都出现了不同程度的下降。表明活性污泥的相关功能受到了影响。在菌种水平上,E2和EE2胁迫下的活性污泥优势菌种为:Methylotenera mobilis、Methylophilus sp、Methylotenera versatilis、Flavobacterium succinicans;在中高浓度BPA的胁迫下,活性污泥微生物的优势菌种为Comamonas koreensis、Acinetobacter bohemicus以及Brevundimonas bullata。(2)EDCs影响活性污泥化学需氧量(COD)消减和脱氮除磷功能。通过对出水水质分析发现,氨氮与磷的去除能力随着EDCs浓度的增大而降低。同时由于EDCs的存在,导致活性污泥微生物脱氢酶(DHA)活性的下降,从而使得模拟序批式反应器(SBR)中的COD消解量减少。其功能受EDCs影响程度为BPA>EE2>E2。虽然活性污泥耐冲击负荷能力较强,可以在短时间内恢复功能,但是当EDCs的浓度超过活性污泥的承受能力时,有机物降解以及氨氮和磷的去除能力均会受到不可逆的影响。(3)EDCs影响活性污泥微生物活性以及沉降性能。EE2与BPA能导致活性污泥的生物量减少,活性污泥的死菌比例随着EDCs浓度的增加而明显上升。虽然E2对活性污泥生物量影响较小,但是其微生物的活菌比例下降的最为明显,从(63.96±1.23%)下降到(42.59±2.13%)。EDCs使活性污泥胞外聚合物(EPS)的分泌与积累减少。胞外蛋白浓度显著降低,PN/PS比值减小,活性污泥的沉降性能变差。多糖浓度变化较小,在4.41 mg/L与5.73 mg/L之间波动。EE2能使反应器中污泥体积指数(SVI)增加,沉降能力下降或发生污泥膨胀。E2能使活性污泥SVI值小幅上升,均具有诱发污泥微膨胀的风险。BPA对SVI值影响较小。(4)生物强化菌提升活性污泥EDCs的去除效率以及脱氮除磷效能。投加基因重组工程菌(枯草芽孢杆菌DH-BS01)可以快速降解污水中的E2,并提高活性污泥5.7%氨氮和18.9%磷的去除效能。投加功能菌(红球菌Req-001)可以在短时间内去除BPA,同时为氨氮和磷的去除提供8.8%和22.7%的贡献率。综上所述,本研究分析了EDCs对活性污泥微生物菌群结构以及活性污泥功能性影响,DH-BS01和Req-001具有生物强化活性污泥去除目标污染物的应用潜力。本文研究结果丰富了EDCs对活性污泥微生物群落与功能的关系相关数据,阐明EDCs对污水处理厂活性污泥生态功能的影响机制,为菌株DH-BS01以及Req-001生物修复的应用前景开阔了新的思路。
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