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不同污水處理廠活性污泥微生物多樣性差異分析

2024-01-10 07:22:44張文俊張俊霞扶詠梅胡紅偉
關(guān)鍵詞:工業(yè)廢水活性污泥處理廠

郭 楓,張文俊,張俊霞,劉 彪,扶詠梅,胡紅偉

(1.河南城建學(xué)院河南省水體污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 平頂山 467036;2.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,河南 鄭州 450011)

活性污泥法具有處理效率高和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì),被廣泛用于污水處理[1]。微生物是活性污泥的重要組成部分,微生物群落驅(qū)動(dòng)著污染物的降解和轉(zhuǎn)化,直接影響污水處理廠的處理效率和穩(wěn)定性[2-3]。因此,研究污水處理廠中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能對(duì)深入了解污水生物凈化的機(jī)制具有重要意義。

近年來(lái),通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)活性污泥微生物群落進(jìn)行研究,獲得了許多成果。Ibarbalz等[4]研究了8個(gè)污水處理廠好氧處理單元的活性污泥樣本,發(fā)現(xiàn)污水特征是驅(qū)動(dòng)微生物群落結(jié)構(gòu)組裝的決定因素。市政污水主要來(lái)源于日常生活產(chǎn)生的污水,其有機(jī)物質(zhì)主要包括蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、纖維等[5]。研究表明,市政污水處理廠活性污泥微生物群落的優(yōu)勢(shì)種群主要為Proteobacteria和Bacteroidetes[6-8]。

工業(yè)廢水的特點(diǎn)與市政生活污水存在顯著的差異,不同類(lèi)型的工礦企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水具有不同的特點(diǎn),大多數(shù)工業(yè)廢水可生化性較差,需經(jīng)預(yù)處理提高其可生化性,再進(jìn)行生物處理。在生物處理過(guò)程中,微生物群落結(jié)構(gòu)與廢水的組成密切相關(guān)。Yang等[9]發(fā)現(xiàn),在工業(yè)廢水活性污泥中Nitrospira較市政污水低,表明工業(yè)廢水的復(fù)雜性影響硝化和反硝化過(guò)程。在巧克力生產(chǎn)廢水中,F(xiàn)irmicutes是最為優(yōu)勢(shì)的微生物群落[10],而在石化廢水中,以Proteobacteria為主導(dǎo)的微生物種群對(duì)復(fù)雜化合物具有良好的降解性能[11]。趙婷婷等[12]研究了淀粉廢水處理系統(tǒng)中微生物群落,發(fā)現(xiàn)最重要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類(lèi)群為Proteobacteria。可見(jiàn),不同類(lèi)型污廢水中活性污泥微生物群落組成各有特點(diǎn)。

本研究通過(guò)Illumina MiSeq高通量測(cè)序技術(shù),以16SrRNA基因的V4區(qū)為靶基因,對(duì)7個(gè)污水處理廠好氧生物處理單元中的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,其中5個(gè)來(lái)自市政污水處理廠,2個(gè)來(lái)自工業(yè)廢水處理廠(尼龍化工和氯堿化工)。研究結(jié)果將對(duì)市政污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)差異的認(rèn)識(shí)和利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本來(lái)源

2019年1月對(duì)市政污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠的好氧生物處理單元進(jìn)行了采樣,采樣深度為10~30 cm,分別標(biāo)記樣本為BF、BY、PDS、YZA、YZB和LJ、LLY。采集后,樣本立即被置于無(wú)菌聚乙烯容器中,在低溫條件下保存,并在2~3 h內(nèi)運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。BF、BY和PDS生物處理工藝為奧貝爾氧化溝,YZA和YZB生物處理工藝為厭氧-缺氧-好氧聯(lián)合工藝(A2O)。LJ樣本來(lái)自氯堿化工廠,該廠主要生產(chǎn)燒堿和聚氯乙烯等化工原料,廢水在中期和后期采用接觸氧化法進(jìn)行處理。LLY樣本來(lái)自尼龍化工廠,該廠主要生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、環(huán)己醇和環(huán)己酸,廢水經(jīng)氨肟化預(yù)處理后采用MSBR工藝進(jìn)行處理。

1.2 理化指標(biāo)測(cè)定

采用便攜式測(cè)量?jī)x(Hanna HI98130,意大利)測(cè)定pH值,采用重鉻酸鹽法測(cè)定化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD),采用納氏試劑法測(cè)定氨氮(NH4-N),采用酚二磺酸法測(cè)定硝酸鹽氮(NO3-N),采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測(cè)定亞硝酸鹽氮(NO2-N),采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定總氮(Total Nitrogen,TN)。上述測(cè)定均使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(普析T6,北京)。

1.3 高通量測(cè)序分析

采用0.2μm孔徑的混合纖維濾膜進(jìn)行生物樣本收集。使用DNA試劑盒(OMEGA E.Z.N.ATMMag-Bind DNA Kit,US)從7個(gè)污水處理廠的活性污泥中提取微生物DNA。使用Qubit2.0DNA定量系統(tǒng)(Invitrogen,Carlsbad,CA,USA)測(cè)量DNA濃度。微生物多樣性鑒定區(qū)域?yàn)?6S rRNA基因的V4區(qū),使用引物515F:5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′和806R:5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′。經(jīng)PCR擴(kuò)增和純化,使用Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。高通量測(cè)序由生工生物技術(shù)(上海)有限公司完成。原始數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后按照序列相似性大于97%聚類(lèi)為一個(gè)OTU(Operational Taxonomic Unit)。原始測(cè)序數(shù)據(jù)已存入NCBI序列讀取檔案(SRA)數(shù)據(jù)庫(kù),登錄號(hào)為:SRP332584。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用R(版本4.2.1)中的vegan包計(jì)算樣本α多樣性指數(shù)[13]。使用SPSS 25.0進(jìn)行環(huán)境因子與α多樣性指數(shù)之間的Pearson相關(guān)性分析。使用冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)方法分析微生物對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系[14],數(shù)據(jù)處理及可視化使用R語(yǔ)言中的vegan、plyr和ggplot2包。使用主坐標(biāo)分析(Principal Co-ordinates Analysis,PCoA)方法分析各樣本的β多樣性差異[15],數(shù)據(jù)處理及可視化使用R語(yǔ)言vegan、ape和ggplot2包。使用PICRUSt2基于測(cè)序數(shù)據(jù)和直系同源集簇(Clusters of Orthologous Groups,COG)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各樣本微生物群落進(jìn)行功能注釋?zhuān)?6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子分析

本研究中所獲得的樣本環(huán)境因子數(shù)據(jù)如表1所示,7個(gè)樣本的pH值均大于7,其中LJ的pH值最大。NH4-N、NO3-N和NO2-N的范圍分別為1.41~12.60 mg·L-1、0.28~5.24 mg·L-1和0.02~2.55 mg·L-1。COD的范圍為100.00~420.00 mg·L-1,其中LJ的COD值為340 mg·L-1,LLY的COD值為420 mg·L-1。工業(yè)廢水處理廠樣本COD和pH值均高于市政污水處理廠。此外,PDS的TN濃度最低為11.48 mg·L-1,LJ的TN濃度最高達(dá)到109.33 mg·L-1。

表1 污水處理廠好氧處理單元水樣環(huán)境因子

2.2 微生物多樣性和相關(guān)性分析

各樣本微生物α多樣性指數(shù)如表2所示。

表2 活性污泥微生物α多樣性

由表2可知,市政污水的香農(nóng)指數(shù)均大于5,而工業(yè)廢水香農(nóng)指數(shù)則均小于3。工業(yè)廢水中的辛普森指數(shù)均大于0.1,而市政污水中的辛普森指數(shù)為0.01。市政污水處理廠的ACE指數(shù)均在2 100以上,而工業(yè)廢水的ACE指數(shù)均在500以下,其中LLY的ACE指數(shù)最低,僅為346.07。市政污水的Chao1指數(shù)均超過(guò)2 000,而工業(yè)廢水的Chao1指數(shù)均低于500。總體而言,工業(yè)廢水處理廠樣本微生物群落多樣性低于市政污水處理廠。環(huán)境因子與微生物α多樣性指數(shù)的皮爾遜相關(guān)性分析表明,pH和COD濃度與微生物多樣性呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)(見(jiàn)表3)。

表3 環(huán)境因子與微生物α多樣性指數(shù)的皮爾遜相關(guān)性

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)及樣本聚類(lèi)分析

在門(mén)水平上(見(jiàn)圖1(a)),市政污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠的微生物群落相對(duì)豐度存在差異,其主要的微生物門(mén)類(lèi)包括Proteobacteria、Bacteroidetes、Acidobacteria、Planctomycetes、Chloroflexi、Actinobacteria和Deinococcus-Thermus。在7個(gè)樣本中,Proteobacteria是最具優(yōu)勢(shì)的微生物,在市政污水處理廠樣本中占比31.40%~43.97%,在工業(yè)廢水處理廠LJ和LLY分別占86.78%和58.77%。在LLY 中,Deinococcus-Thermus的相對(duì)豐度為20.57%,在其他6個(gè)樣本中的相對(duì)豐度均低于0.1%,顯示出LLY具有獨(dú)特的微生物群落。

圖1 微生物群落結(jié)構(gòu)及樣本聚類(lèi)分析

在屬水平上(見(jiàn)圖1(b)),市政污水中優(yōu)勢(shì)菌屬主要包括Ferruginibacter、Zavarzinella和Hyphomicrobium,LJ和LLY的微生物群落組成與市政污水存在較大差異。在LJ中,最優(yōu)勢(shì)的微生物菌屬包括Acinetobacter、Novosphingobium和Polynucleobacter,其中Acinetobacter在LJ的相對(duì)豐度最高,而在其他樣本中均低于2%。在LLY中,最優(yōu)勢(shì)的微生物菌屬包括Meiothermus、Hyphomicrobium和Comamonas,其中Meiothermus在LLY中的相對(duì)豐度為19.72%,而在其他樣本中未檢測(cè)到。

基于Bray-Curtis距離的PCoA分析結(jié)果顯示(見(jiàn)圖1(c)),市政污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠的活性污泥在樣本聚類(lèi)上相互分離,兩個(gè)工業(yè)廢水廠樣本均遠(yuǎn)離市政污水廠樣本?;贠TU水平的RDA分析結(jié)果顯示(見(jiàn)圖1(d)),pH對(duì)微生物群落分布有顯著的影響(p<0.05)。

2.4 功能基因多樣性及豐度

基于COG的功能基因分析表明,市政污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠樣本在功能基因的多樣性上差異較?。ㄒ?jiàn)圖2(a)),但在聚類(lèi)(見(jiàn)圖2(b))及其豐度分布(見(jiàn)圖2(c))上存在較大差異。市政污水處理廠樣本形成聚類(lèi),而工業(yè)廢水處理廠樣本則與其有較大的分離。功能基因豐度熱圖則揭示了在污水處理中,能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換(Energy production and conversion)、氨基酸運(yùn)輸與代謝(Amino acid transport and metabolism)、碳水化合物運(yùn)輸與代謝(Carbohydrate transport and metabolism)、細(xì)胞壁/膜/包被生物發(fā)生(Cell wall/membrane/envelope biogenesis)以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制(Signal transduction mechanisms)等類(lèi)別的功能基因至關(guān)重要。特別是,LJ中這些功能基因的豐度普遍低于其他樣本,而LLY中這些功能基因的豐度則普遍高于其他樣本。市政污水處理廠樣本之間在功能基因豐度上的差異相對(duì)較小。

圖2 基于COG的功能基因分析

3 討論

微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間存在密切關(guān)系,但特定廢水組成對(duì)微生物群落的影響較為復(fù)雜。污廢水處理過(guò)程中,微生物受到有機(jī)負(fù)荷、pH、溫度、溶解氧等多種因素的影響。本研究中,LJ的高pH與燒堿等產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢水性質(zhì)密切相關(guān),而LLY的高COD濃度與己內(nèi)酰胺、環(huán)己醇生產(chǎn)過(guò)程中排放的碳源相關(guān)。同時(shí),工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中活性污泥微生物群落具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu),且pH和COD對(duì)活性污泥微生物群落的形成有較大影響,該結(jié)果與Xu等[17]的研究結(jié)果相似。COD與廢水中有機(jī)質(zhì)的種類(lèi)和濃度相關(guān),而pH與微生物的代謝環(huán)境相關(guān),二者的共同作用導(dǎo)致了其獨(dú)特的微生物群落結(jié)構(gòu)。已有研究表明,廢水的類(lèi)型被認(rèn)為是引起活性污泥系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)差異最重要的原因[18],與本研究的結(jié)果相符。

本研究中,7個(gè)污水處理廠樣本微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異。市政污水處理廠樣本在門(mén)水平上的微生物群落組成與之前的研究相似[8,19]。工業(yè)廢水處理廠樣本則表現(xiàn)出獨(dú)特的微生物群落結(jié)構(gòu),與市政污水處理廠中常見(jiàn)的微生物群落組成有較大差異[20]。此外,工業(yè)廢水處理廠樣本微生物群落α多樣性較低,與Yang等[9]研究結(jié)果一致。特別是在LJ中,優(yōu)勢(shì)菌屬Acinetobacter和Novosphingobium具備降解多環(huán)芳烴的能力[21-22],Polynucleobacter在降解有機(jī)物方面具有優(yōu)勢(shì)[23],這與其廢水特點(diǎn)具有密切的關(guān)聯(lián)。同時(shí),LLY中特有菌屬M(fèi)eiothermus是造紙廠廢水處理系統(tǒng)中常見(jiàn)的微生物[24],并在陸地?zé)崛斜话l(fā)現(xiàn)[25]。己內(nèi)酰胺生產(chǎn)過(guò)程中有大量有機(jī)物和溫廢水的排放,原因可能是存在大量的Meiothermus。

微生物群落的基因功能主要集中在氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝、轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞壁/膜/包膜生物發(fā)生、能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制等方面,這些功能與廢水的特性存在關(guān)聯(lián),如參與碳水化合物代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝等。盡管不同污水處理廠樣本的功能基因多樣性指數(shù)相接近,但功能豐度存在差異。在LJ中,優(yōu)勢(shì)功能基因的豐度低于其他樣本,這可能是單一的廢水結(jié)構(gòu)造成的。而在LLY中,氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝以及能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化功能基因均高于其他樣本,這表明在工業(yè)廢水的影響下相關(guān)的代謝功能得到了增強(qiáng)。此外,以往研究表明,在高鹽環(huán)境的脅迫下,微生物群落可發(fā)展出特定的代謝模式以維持細(xì)胞活性[26],這也可能是造成工業(yè)廢水處理廠微生物功能差異的潛在原因。

4 結(jié)論

(1)工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中微生物群落多樣性和豐富度均低于市政污水處理廠。本研究中,微生物群落α多樣性指數(shù)與pH和COD呈顯著負(fù)相關(guān)。

(2)來(lái)自市政污水處理系統(tǒng)的5個(gè)樣本,優(yōu)勢(shì)菌屬均為Ferruginibacter、Zavarzinella和Hyphomicrobium。工業(yè)廢水處理系統(tǒng)則存在差異,在LJ中,Acinetobacter、Novosphingobium和Polynucleobacter為優(yōu)勢(shì)菌屬,在LLY中,Meiothermus、Hyphomicrobium和Comamonas為優(yōu)勢(shì)菌屬。

(3)基于COG數(shù)據(jù)庫(kù)的功能基因預(yù)測(cè)顯示,工業(yè)廢水處理廠和市政污水處理廠樣本在功能基因多樣性上差異性較小,但在優(yōu)勢(shì)功能基因的豐度上存在較大差異。這種差異是由工業(yè)廢水和市政污水特性所導(dǎo)致的。

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