EPS对饥饿胁迫期反硝化菌群脱氮性能影响机制研究

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反硝化脱氮工艺在废水生物处理领域占据重要地位,被广泛应用于国内外众多污水处理厂,是污水生物处理系统的重要环节,反硝化微生物良好的生长状况是反硝化脱氮系统稳定运行的基本条件。当污水处理系统需要在短时间内启动时,微生物生长状况及生物量是影响系统启动的主要限制因素。提前培养种子污泥并向污水处理系统输送,可在短时间内补充污水处理系统中的生物量,使系统能够尽快稳定运行。由于缺乏营养物质,污泥在长距离运输过程中会出现失活甚至死亡的现象,适宜的污泥保存条件能够有效缓解这些问题。因此,本课题研究了不同温度条件和溶解态EPS(Soluble extracellular polymers,SEPS)添加策略对饥饿胁迫期反硝化颗粒污泥活性及微生物菌群分布的影响,可为实际工程应用及实验室研究过程中反硝化颗粒污泥或其他微生物污泥的保存提供参考依据。本研究以实验室连续流条件下培养的成熟反硝化颗粒污泥作为研究对象,探究温度条件对饥饿胁迫期反硝化颗粒污泥活性影响时,发现污泥在常温(15~35℃)条件下活性下降趋势较缓,而低温(4℃、-20℃)条件下污泥活性显著下降。在此基础上,探明辅助不同SEPS添加策略对受温度及饥饿双重胁迫的反硝化污泥活性及微生物菌群的影响,文章主要得出如下结论:(1)当反硝化颗粒污泥在常温(15~35℃)或低温(4℃)条件下持续处于饥饿状态时,微生物细胞会产生应激机制刺激胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)分泌,主要分泌的组分为蛋白(Protein,PN),微生物将PN作为营养物质为自身提供能源。此外,部分反硝化细菌因饥饿而死亡消解,其消解产物也可作为能源物质被存活的反硝化细菌分解利用。(2)当反硝化颗粒污泥在常温条件(15~35℃)下保存时,反硝化菌体内各种代谢酶的活性未受到温度条件的胁迫,反硝化菌活性下降缓慢;而低温(4℃)条件下微生物体内的酶活性受到抑制,其代谢活性显著下降,但反硝化细菌并未受到严重损伤;温度过低(-20℃)时,会严重损伤微生物正常细胞结构,对反硝化细菌造成短期内不可逆的损伤。此外,向饥饿胁迫期的反硝化颗粒污泥间歇添加SEPS能够有效缓解饥饿胁迫对污泥活性的消极影响。本研究得出,最佳SEPS添加浓度为2 m L·m L-1-污泥,最佳添加周期为10d;综合考虑经济性,常温条件(15~35℃)下,间隔10 d添加SEPS为最佳保存策略。(3)在温度及饥饿单一及双重(饥饿、低温)胁迫实验中,Proteobacteria对单一胁迫(饥饿)环境表现出良好的适应性,但在双重胁迫环境中适应性明显下降,而Firmicutes对双重胁迫环境表现出良好的适应性;Thauera在单一胁迫(饥饿或低温)及双重胁迫环境中均表现出较差的适应性,Acinetobacter对饥饿胁迫环境具有强的抵抗力,但在双重胁迫环境中适应能力略有下降。(4)对反硝化过程主要的功能基因而言,nar G、nar H、nir K基因在双重胁迫环境表现出良好的适应性,且明显优于其在单一胁迫(饥饿)环境中的适应能力。nar I、nap B及nor B基因在双重胁迫环境中的适应性较单一胁迫(饥饿)环境有所下降,但仍具有良好的适应性。nap A、nir S、nor C及nos Z基因在两种胁迫环境下都表现出较差的适应性,实验过程中其相对丰度呈现出持续下降趋势。(5)常温(15~35℃)条件下SEPS对反硝化颗粒污泥饥饿胁迫过程的主要影响机制可分为两部分。首先,常温(15~35℃)条件下外源SEPS的添加有利于维持反硝化颗粒污泥的形态、细胞结构及细菌代谢活性。其次,SEPS中的PN可用作潜在底物,使反硝化菌能够在饥饿状态下获得能量,维持一段时间内反硝化颗粒污泥的活性和稳定性。
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