溶解氧对污水处理微生物细胞膜特性和群落结构的影响研究

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溶解氧浓度(dissolved oxygen,DO)是影响污水处理系统运行效果(除碳、脱氮除磷)和污泥性能(沉降性能、絮凝性能、吸附性能等)的重要因素。目前,关于外界环境条件的变化对污水处理微生物细胞膜特性(磷脂组成和流动性)的影响研究较少,且主要集中在低温方面。微生物细胞膜磷脂组成和流动性的不同会造成微生物物质运输过程及细胞向外界环境排放的大分子物质(蛋白质等)含量和种类的差异,因此研究不同溶解氧浓度对好氧污水处理微生物细胞膜磷脂组成和流动性的影响以及分析其变化对污水处理效果的影响具有重要意义。  本论文以实验室模拟废水生活废水为处理对象,考察了不同溶解氧浓度和碳源对活性污泥(AS)微生物以及不同溶解氧浓度对移动床生物膜(MBBR)和泥膜混合(IFAS)微生物表面粘附力、细胞膜流动性和磷脂组成、微生物群落结构的影响规律,并根据其演变规律对比分析了不同溶解氧浓度对活性污泥法、生物膜法和泥膜混合法中有机物去除及微生物性能的影响差异,主要结论如下:  (1)对于不同溶解氧浓度下活性污泥系统,随着DO的升高,COD和氨氮去除率随之升高,而单周期第1h内COD去除率呈现下降的趋势;出水溶解性有机物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的含量在DO为2.13-3.02mg/L时最低,微生物表面粘附力和粗糙度均随DO的增加而降低。0.71-1.32mg/L和4.31-5.16mg/L条件下会促进微生物合成较多的支链脂肪酸(BFA)以维持较高的细胞膜流动性,DO为0.71-1.32mg/L、2.13-3.02mg/L和4.31-5.16mg/L条件下微生物细胞膜磷脂运动分数和支链脂肪酸含量分别为46.1%、40.4%和49.3%,和34.89%、27.94%和38.43%,主要支链脂肪酸均包括C15∶0a、C14∶0i、C15∶0i和C16∶0i,随着反应器运行时间的增加,C链较长(C原子个大于17)的脂肪酸呈现增加的趋势。在门级别上微生物群落结构的差异主要体现在拟杆菌门Bacteroidetes和放线菌门Actinobacteria的含量上,最优势菌门均为TM7;在属级别上,最优势菌属均为TM7genera incertae sedis,Nakamurella和Micropruina属随DO的升高而增加,Paracoccus和Rudaea属随着DO的增加而减小。不同碳源活性污泥反应器,乙酸钠和葡萄糖为碳源时出水COD和SMP含量较低,含有蛋白胨为碳源的条件下,微生物表面粘附力和粗糙均较大。含有蛋白胨为碳源时微生物细胞膜磷脂脂肪酸(PLFA)主要以C17和C18为主,且细胞膜流动性均较高;以乙酸钠和葡萄糖为单一底物时,PLFA组成分别以C13-C16和C15为主,细胞膜流动性较低。葡萄糖和乙酸钠为底物时,最优势菌门分别为为放线菌门Actinobacteria和变形菌门Proteobacteria,最优势菌属分别为Nakamurella和Flavobacterium;蛋白胨为底物时,含量最高的菌门为放线菌门Actinobacteria;复合碳源条件下,促进了Candidatus Saccharibacteria门和Saccharibacteria_genera_incertae_sedis属的累积。  (2)对不同溶解氧浓度下MBBR反应器,COD和氨氮去除率以及单周期COD去除速率均随DO的升高而升高;出水SMP含量在DO为2.13-3.02mg/L时最低,EPS含量、微生物表面粘附力和粗糙度均随DO的升高而增大。第30d时,三个反应器饱和脂肪酸(SFA)的含量均为最高,第60d时,SFA的含量均出现了下降,主要脂肪酸包括C15∶0a、C16∶00、C18∶1w7c和C18∶0i,此时细胞膜磷脂流动性分别为0.71-1.32mg/L(65.4%)、2.13-3.02mg/L(36.7%)和4.31-5.16mg/L(49.4%),DO为0.71-1.32mg/L和4.31-5.16mg/L条件下细胞膜流动性的增加,分别是通过增加BFA和不饱和脂肪酸(UFA)的合成实现。拟杆菌门Bacteroidetes随DO的升高而升高,放线菌门Actinobacteria和随DO的升高而降低;主要优势菌属为Nakamurella和Saccharibacteria_genera_incertaesedis;Flavobacterium的含量在溶解氧浓度为4.31-5.16mg/L比其他两个高出10倍以上。  (3)对于不同溶解氧浓度IFAS反应器,DO的升高促进了反应器有机物去除率的增加,出水SMP相比于活性污泥法和生物膜法均较低且DO为2.13-3.02mg/L时最低;IFAS系统中活性污泥和生物膜EPS中蛋白质含量、生物膜微生物表面粘附力和粗糙度随DO的升高而增加,污泥表面粘附力和粗糙度在DO为2.13-3.02mg/L时最低。污泥的主要脂肪酸包括C15∶0a、C16∶0is0、C16∶00、C18∶00和C18∶1w7c;生物膜主要脂肪酸为C15∶0a、C16∶00、C18∶00、C18∶1w9c和C18∶010-Me;污泥和生物膜微生物细胞膜流动性均在DO为2.13-3.02mg/L时最低。优势菌门由变形菌门Proteobacteria、拟杆菌门Bacteroidetes和放线菌门Actinobacteria组成,第30d时,生物膜中变形菌门的含量随DO的增加而降低,而活性污泥中变形菌门含量呈现降低的趋势;第60d时,变形菌门的含量均呈现出下降的趋势,放线菌门和拟杆菌门的含量得到了进一步的累积;活性污泥优势菌属具有相似性;生物膜微生物,DO为4.31-5.16mg/L与0.71-1.32mg/L和2.13-3.02mg/L相比,Nakamurella和Micropruina的含量明显的下降,而Thaurea、Zoogloea和Dechloromonas的含量则得到了显著的增加。  (4)高溶解氧浓度(4.31-5.16mg/L)虽有利于COD和氨氮的去除,但同时出水中SMP的含量也随之增多。相同DO下,活性污泥法与MBBR和IFAS相比对氨氮的去除能力较低;DO为2.13-3.02mg/L时各反应器微生物细胞膜磷脂流动性均最低,DO为0.71-1.32mg/L和4.31-5.16mg/L条件下,活性污泥微生物细胞膜磷脂流动性的增加主要通过增加BFA的合成;MBBR和IFAS微生物细胞膜流动性在DO为0.71-1.32mg/L时的增加主要通过增加BFA,DO为4.31-5.16mg/L时则主要通过增加UFA的合成实现。DO为2.13-3.02mg/L时,活性污泥、MBBR和IFAS系统中微生物群落多样性指数均最大,更有利于反应器的高效稳定运行。RDA分析表明微生物细胞膜SFA、AFA和IFA与出水中SMP的荧光峰强度相关,不同溶解氧浓度改变了微生物群落结构,而微生物群落结构的改变对细胞膜磷脂组成产生了重要的影响,两者的变化进而影响了出水水质。
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