聚苯乙烯(PS)抑制下对好氧颗粒污泥性能及微生物群落的影响研究

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好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)反应器由于其污泥具有致密的结构,高浓度的胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS),因而具有较强的抗毒性和抗冲击负荷能力,具有十分广阔的运用前景。近年来,微塑料作为环境污染物的热点问题,其对反应器的影响的研究日益深入。但目前,关于微塑料抑制下AGS反应器处理性能的研究甚少,特别是从污泥活性、污泥聚集性能以及微生物的角度分析的研究更为少见。本文研究了AGS在PS急性抑制下,表征污泥活性的比脱氮速率的变化规律;并探讨了与脱氮相关的四种酶的活性的变化特性;通过对活性氧和乳酸脱氢酶的测定,观测污泥在PS急性抑制下的应激反应。另外,通过测定AGS表面zeta电位、表面疏水性以及聚集性能,观察污泥表面特性在急性抑制下的变化;并通过XDLVO曲线,进一步解释抑制条件下的聚集性。最后利用高通量测序段,在急性抑制和模拟实际污水厂微塑料浓度长期胁迫下,从属水平对AGS的微生物群落结构变化进行分析,并通过对功能蛋白的分析进一步阐明微塑料对AGS微生物的影响过程。研究为后续AGS反应器运行应对微塑料冲击负荷研究提供理论支持。通过研究,本文取得的主要结论如下:(1)本实验AGS反应器在60d内实现粒化,SS和VSS分别为7.08g/L和6.29g/L;VSS/SS比值从接种时的0.72增长至0.90;SVI值由102.34m L/g降至32.78m L/g,SV30/SV5>0.90;平均粒径由接种时的88.00μm增长至612.43μm,并且>200μm的污泥达到了92.90%;污泥EPS含量中蛋白质增加而多糖轻微减少,含量分别为135.10mg蛋白质/gvss和23.39mg多糖/gvss,蛋白质/多糖的比值从1.53增长至5.78;COD和氨氮去除率已经接近100%,TN和TP的去除率也稳定在75%左右,反应器基本达到稳定状态。成熟的颗粒污泥表面较为规则和光滑,结构紧实,整体呈球状;β-多糖主要分布在污泥的外表面,并且相互缠绕,形成了的网状结构,起到了骨架的作用。而内部的蛋白质和α-多糖镶嵌其中,共同形成致密的EPS。(2)聚苯乙烯(PS)急性抑制对AGS活性有抑制作用:通过对AGS的比脱氮速率的测定来表征AGS的活性,相比于0mg/L,50mg/L、100mg/L和200mg/L比氨氧化速率(SAOR)、比亚硝氮氧化速率(SNOR)、比硝氮还原速率(SNIRR)速率和比亚硝氮还原(SNRR)速率均有不同呈度的下降;除此之外,与脱氮相关的酶类活性也出现了下降;在PS急性抑制下,AGS的活性氧(ROS)和乳酸脱氢酶(LDH)含量上升,说明细胞受到一定程度的氧化损伤,细胞膜出现破损;PS微球密集地吸附在细胞表面,细胞膜出现了破损,同时细胞膜出现软化现象,褶皱增多。CLMS图像显示PS急性抑制下死亡细菌含量增多;EPS中蛋白质和多糖含量减少,β-多糖形成的网状结构在不断的缩小。(3)在PS急性抑制下,AGS的zeta电位、疏水度和聚集速率都出现了下降,意味着AGS表面电荷量增多,细胞之间的粘结能力降低;热力学计算显示界面吸附自由能()主要组成部分是酸碱相互作用能(),且发生波动主要是由于的变化,而和呈现上升趋势,二者的上升不利于颗粒的聚集和稳定;基于XDLVO理论分析,范德华作用能(WA)在PS的急性抑制下变化较小;随着PS浓度的上升,静电斥力能(WR)呈上升趋势;0mg/L与50mg/L的Lewis酸碱水合作用能(WAB)较为接近,100mg/L和200mg/L也同样较为接近;总相互作用能(WTOT)显示在细胞间距为5nm之处出现了势垒,随着PS浓度的上升,势垒也逐渐增加,细胞之间越难聚集。(4)AGS反应器在PS的长期胁迫下,水质处理能力下降。细胞膜出现破损并且机械性能发生改变。在PS急性抑制下,浓度为50mg/L时,降低了AGS微生物群落的丰富度,100mg/L和200mg/L的PS浓度能提高微生物群落的丰富度;PS的添加降低了AGS微生物的多样性。而在长期胁迫中,1mg/L和5mg/L的PS同时降低了微生物的丰度和多样性。PS急性抑制下,四个实验组的OUT序列相当;在PS长期胁迫下,1mg/L和5mg/L的OUT序列数量下降明显,二者共有的OUT序列数最多,说明两个实验组的微生物相似度较高。在属水平上,PS急性抑制下,丰度最高的为Candidatus_Competibacter、丝硫菌属(Thiothrix),而在长期胁迫中,黄杆菌属(Flavobacterium)取代Candidatus_Competibacter成为了主导的菌种。在功能蛋白的分析表明,在PS的急性抑制下,蛋白质、细胞膜和细胞骨架合成等相关功能得到促进,而细胞运动和无机离子转运功能的功能蛋白受到削弱。而在PS长期胁迫下,蛋白质合成和细胞运动功能得到促进,但是细胞膜和细胞骨架合成和有机物转运的功能蛋白受到抑制。
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