不同胁迫下清洗剂降解菌群代谢活性与群落结构响应及调控

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尽管生物法已被广泛报道用于处理清洗剂废水,但清洗剂废水具有的起泡性强、毒性大和可生化性差等特点以及各种环境胁迫因子的存在均会对微生物活性与群落结构产生不利影响,进而导致清洗剂废水处理工艺难稳定运行。  针对上述问题,本研究以某企业清洗剂废水主要成分[阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、非离子表面活性剂聚氧乙烯月桂醚(Brij35)和清洗剂助剂乙二胺四乙酸四钠(Na4EDTA,简称EDTA)]为特征污染物富集筛选到清洗剂高效降解菌群;结合清洗剂废水处理实际情况,研究了清洗剂降解菌群在不同胁迫因子作用下其代谢活性与群落结构响应机制,并对胁迫条件下清洗剂的降解效果进行了优化调控。主要研究成果如下:  1.清洗剂高效降解菌群的富集筛选。筛选到SDS降解菌株Pseudomonas sp.SDS-N2,其最适生长条件为30℃、pH8以及氨浓度136mg/L,并在初始底物浓度为2500mg/L时达到最大降解速率166.2mgCOD/L/h;筛选到Brij35降解菌株Pseudomonas sp.PG-1,其最适生长条件为30℃、pH7以及氨浓度100mg/L,并在底物浓度为1250mg/L时达到最大降解速率99.5mgCOD/L/h。富集到EDTA降解菌群,主要包括Proteobacteria、Chlorobi、Nitrospirae和Bacteroidetes等,其最适生长条件为30℃、pH10以及氨浓度27mg/L。在添加复合维生素的条件下,EDTA降解速率可达到80mgEDTA/L/h。  2.研究了不同胁迫下清洗剂降解菌群的代谢活性[电子传递体系(ETS)活性、ATP、脱氢酶(DHA)活性]响应机制。不同温度、盐度和重金属Cu(Ⅱ)浓度下,SDS、Brij35和EDTA的去除效率总体均随胁迫程度的增强而降低。皮尔森相关性分析表明,ETS活性与SDS降解速率显著相关,ATP含量与菌株SDS-N2的蛋白浓度显著相关;ATP含量与Brij35去除速率最相关,ETS活性与菌株PG-1的蛋白浓度显著正相关;ATP含量与EDTA降解速率最相关。  3.以不同胁迫下清洗剂降解菌群的代谢活性响应机制为指导,以代谢活性为调控重点,以生物促进剂添加为调控方式,通过响应面优化方法学获得胁迫条件下清洗剂降解效果优化调控策略。  在SDS降解优化调控方面:高盐胁迫(25g/L),生物促进剂最佳添加量为F=170mg/L、C=10mg/L以及I=25mg/L。经调控,COD去除率比对照提高22%;ETS活性是对照的1.2倍,ATP平均含量与对照相当;重金属Cu(Ⅱ)胁迫(0.8mg/L),生物促进剂最佳添加量为I=72mg/L、H=100mg/L。经调控,COD去除率比对照提高37.6%;ETS、ATP活性和蛋白浓度分别是对照的15.1倍、46.5倍和3.3倍;低温胁迫(10℃),经B、C和I(40mg/L、30mg/L和80mg/L)调控,其COD去除率比对照提高34%;蛋白浓度、ETS活性和ATP含量分别是对照的1.9倍、1.9倍和2.6倍。  在Brij35降解优化调控方面:高盐胁迫(20g/L),生物促进剂最佳添加量为I=149mg/L、H=63mg/L、C=27mg/L以及K=29mg/L。经调控,COD去除率比对照提高40%;蛋白平均浓度、ETS平均活性和ATP平均含量分别是对照的2.3倍、5.6倍和1.8倍;金属铜胁迫(0.4mg/L),生物促进剂最佳添加量为C=65mg/L、H=25mg/L及I=74mg/L。经调控,COD去除率比对照提高81.5%;蛋白浓度、ETS活性和ATP平均含量分别是对照的6.6倍、10.8倍和38.1倍;低温(10℃)胁迫,经B、C和I(40mg/L、30mg/L和80mg/L)调控,COD去除率比对照提高45.9%;蛋白浓度、ETS活性和ATP含量分别是对照的4.0倍、1.7倍和8.5倍。  4.通过16S rRNA测序分析研究了进水水质冲击条件下清洗剂降解微生物的群落结构响应情况,并评估了生物强化对清洗剂废水处理的调控效果及其可行性。结果表明,Pseudomonas、Comamonas、Sphingopyxis、Luteimonas、Pseudoxanthomonas、Flavobacterium、Acinetobacter参与清洗剂废水中表面活性剂SDS、Brij35及其代谢产物的降解,Pseudomonas、Comamonas、Sorangium、Perlucidibaca以及SM1A02可能响应于清洗剂废水中EDTA及其代谢产物的降解。α、β多样性分析表明,进水水质冲击与不同接种物来源均对清洗剂废水处理系统中的微生物群落结构产生影响,且系统中的微生物多样性越低则越容易受到不利影响。相比于对照AS(接种物为活性污泥)与生物强化反应器Rc(接种物为清洗剂降解菌群),生物强化反应器Rb(接种物为活性污泥与清洗剂降解菌群)兼顾了活性污泥中高的微生物多样性与清洗剂降解菌群高的降解活性,使得该系统在不同进水水质冲击下能保持相对稳定的群落结构与更好的清洗剂废水处理效果。因此,以清洗剂降解菌群与活性污泥启动的生物强化处理系统在清洗剂废水处理中具有潜在应用前景。
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