趙校宇 張鳳軍 孫紹鈞 孫紹芳 王嘉斌

文章編號(hào)：1671-3559（2024）03-0295-05DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230403.001

摘要： 為了探明磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)短程硝化系統(tǒng)的影響機(jī)制，構(gòu)建磁性序批式活性污泥法反應(yīng)器，對(duì)比磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)短程硝化過(guò)程氮轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律，并通過(guò)高通量測(cè)序等分子生物學(xué)手段研究磁場(chǎng)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性的影響。結(jié)果表明：磁場(chǎng)對(duì)短程硝化過(guò)程有顯著影響，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為10、 15 mT的磁場(chǎng)作用下，氨氮去除率低于無(wú)磁場(chǎng)對(duì)照組的；在磁感應(yīng)強(qiáng)度為5、 10 mT的磁場(chǎng)作用下，所構(gòu)建反應(yīng)器的亞硝態(tài)氮累積率高于無(wú)磁場(chǎng)對(duì)照組的；磁場(chǎng)對(duì)所構(gòu)建反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)和酶基因相對(duì)含量產(chǎn)生影響，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT時(shí)，OLB8菌群、 亞硝酸鹽氧化酶的相對(duì)豐度減小，氨單加氧酶和羥胺脫氫酶的相對(duì)豐度增大，亞硝態(tài)氮累積效果更優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 磁場(chǎng)； 短程硝化； 微生物群落； 酶活性； 影響機(jī)制

中圖分類號(hào)： X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

開(kāi)放科學(xué)識(shí)別碼（OSID碼）：

Effects of Magnetic Field on Structure and Enzyme Activity of

Short-range Nitrification Microbial Community

ZHAO Xiaoyu1， ZHANG Fengjun2， SUN Shaojun3， SUN Shaofang1， WANG Jiabin1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Shandong Fangyun Software Technology Co.， Ltd.， Jinan 250100， Shandong， China;

3. Qingdao Municipal Engineering Design Research Institute Co.， Ltd.， Qingdao 266061， Shandong， China）

Abstract： To explore the influence mechanism of magnetic induction intensity on the short-range nitrification system， magnetic sequencing batch activated sludge method short-range nitrification reactors were constructed， effect laws of magnetic induction intensity on nitrogen conversion in short-range nitrification process were compared， and effects of magnetic field on structure and enzyme activity of microbial community was researched by using molecular biology technology such as high-throughput sequencing. The results show that the magnetic field has significant effects on the short-range nitrification process， under the action of magnetic field with the magnetic induction intensity of 10 mT and 15 mT， the removal rate of ammonia nitrogen is lower than that of the control group without magnetic field. Under the action of magnetic field with the magnetic induction intensity of 5 mT and 10 mT， the nitrous nitrogen accumulative rate of the constructed reactors is higher than that of the control group without magnetic field. The magnetic field affects the microbial community structure and the relative content of enzyme genes in the constructed reactors. When the magnetic induction intensity is 5 mT， the relative abundances of OLB8 flora and nitrite oxidase decrease， the relative abundances of ammonia monooxygenase and hydroxylamine dehydrogenase increase， and the nitrous nitrogen accumulation effect is better.

Keywords： magnetic field; short-range nitrification; microbial community; enzyme activity; influence mechanism

收稿日期： 2023-02-15????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2023-04-03T16：42：12

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52100088）；濟(jì)南大學(xué)科技項(xiàng)目（XBS2001）

第一作者簡(jiǎn)介： 趙校宇（1998—），女，山東臨沂人。碩士研究生，研究方向?yàn)槭姓こ獭-mail： 1275238799@qq.com。

通信作者簡(jiǎn)介： 王嘉斌（1979—），男，山東濟(jì)南人。教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭姓こ?。E-mail： cea_wangjb@ujn.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230403.1539.002.html

根據(jù)《2020年中國(guó)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》，全國(guó)含氮廢水年排放量為9.84×105 t，氮污染成為日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題［1］。傳統(tǒng)的硝化-反硝化生物脫氮工藝需要補(bǔ)充碳源且能耗過(guò)高［2］，厭氧氨氧化和同步硝化反硝化（SND）等新型工藝具有曝氣能耗低、碳源需求量小等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，其中短程硝化作為亞硝態(tài)氮（NO-2-N）累積的重要過(guò)程［5］，是影響新型生物脫氮工藝應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

李強(qiáng)［6］對(duì)序批式活性污泥法（SBR）反應(yīng)器內(nèi)短程硝化反硝化脫氮過(guò)程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，溶解氧（DO）、 氧化還原電位（ORP）、 pH等影響因子對(duì)短程硝化過(guò)程的影響較為明顯。 羅珊等［7］研究了循環(huán)式活性污泥法（CAST工藝）短程硝化反硝化的快速啟動(dòng)過(guò)程， 結(jié)果表明， 溫度、 DO、 pH及菌劑接種對(duì)NO-2-N累積率影響較大。 呼曉明等［8］采用流化床工藝， 通過(guò)控制溫度為（31±1）℃、 DO的質(zhì)量濃度為1.5～2.5 mg/L、 pH為8.0～8.5， 將短程硝化的啟動(dòng)時(shí)間縮短到42 d。 徐浩等［9］采用SBR工藝， 在溫度為（30±1）℃、 pH為7.8～8.2、 DO的質(zhì)量濃度為2.5 mg/L的條件下， 運(yùn)行35 d成功啟動(dòng)短程硝化。 李柏林等［10］采用SBR工藝， 在更低的DO質(zhì)量濃度（1.42～1.53 mg/L）環(huán)境下， 將短程硝化的啟動(dòng)時(shí)間縮短到30 d。

磁場(chǎng)能影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和酶活性， 有效提升污泥處理效能［11］。 Ren等［12］研究發(fā)現(xiàn)， 磁感應(yīng)強(qiáng)度為15～25 mT的磁場(chǎng)可以提升細(xì)胞膜的通透性， 增強(qiáng)微生物的活性。 Ni等［13］研究發(fā)現(xiàn)， 磁性納米顆粒的投加量為50 mg/L時(shí)對(duì)增強(qiáng)硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性效果較好。王強(qiáng)［14］用施加磁場(chǎng)的方式將SBR反應(yīng)器硝態(tài)氮（NO-3-N））去除率與微生物脫氫酶活性分別提高7.2%和238%。 孫紹鈞等［15］研究發(fā)現(xiàn)， 磁性濾料可以優(yōu)化脫氮功能菌的群落結(jié)構(gòu)與功能基因， 提升生物濾池的脫氮效能。 耿淑英等［16］研究發(fā)現(xiàn)， 磁感應(yīng)強(qiáng)度為30～150 mT的磁場(chǎng)可以影響微生物的群落結(jié)構(gòu)與酶活性，從而提高污染物去除率。

本文中通過(guò)構(gòu)建外加磁場(chǎng)SBR反應(yīng)器，研究磁場(chǎng)對(duì)短程硝化的影響，采用分子生物學(xué)技術(shù)分析磁場(chǎng)對(duì)短程硝化菌群結(jié)構(gòu)和酶基因的影響規(guī)律，解析其分子生物學(xué)機(jī)制。

濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第38卷

第3期趙校宇，等：磁場(chǎng)對(duì)短程硝化微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性的影響

1? 材料與方法

1.1? 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用有效容積為2 L的SBR反應(yīng)器，如圖1所示。該反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制作，內(nèi)設(shè)溫控裝置，外設(shè)串聯(lián)通電線圈提供磁場(chǎng)。4組SBR反應(yīng)器編號(hào)為R0、 R1、R2和R3，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0、 5、 10、 15 mT。

1.2? 實(shí)驗(yàn)用水

反應(yīng)器進(jìn)水由實(shí)驗(yàn)室配制，氯化銨用于提供氨氮（NH+4-N），碳酸氫鈉、 碳酸鈉用于提供堿度與無(wú)機(jī)碳源，磷酸二氫鉀用于提供無(wú)機(jī)磷源。氯化銨、 磷酸二氫鉀的質(zhì)量濃度分別為200、 20 mg/L，碳酸氫鈉、 碳酸鈉的濃度分別為20、 5 mmol/L。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水NH+4-N的質(zhì)量濃度控制在195 mg/L左右，pH控制在7.8左右。

1.3? 反應(yīng)器的運(yùn)行條件

反應(yīng)器接種前期絮狀黃褐色短程硝化實(shí)驗(yàn)污泥， 污泥質(zhì)量濃度為3 000 mg/L， 35 ℃恒溫運(yùn)行， 運(yùn)行周期為8 h， 每個(gè)流程進(jìn)水5 min， 好氧缺氧交替運(yùn)行（曝氣30 min、 攪拌30 min）7次， 靜置45 min， 出水10 min。 水力停留時(shí)間為16 h， 曝氣量為0.2 L/min， 污泥停留時(shí)間（SRT）為15 d。

1.4? 污泥取樣和微生物測(cè)序方法

取反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)行15 d的污泥， 利用Illumina NovaSeq測(cè)序平臺(tái)， 使用引物341F（5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTATCTAAT-3′）對(duì)核糖體核糖核酸（16S rDNA）內(nèi)V3—V4區(qū)域進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增。 基于QIIME2平臺(tái)，利用區(qū)別擴(kuò)增子降噪算法DADA2對(duì)16S rRNA功能基因等特定區(qū)段的高通量測(cè)序序列進(jìn)行錯(cuò)誤校正， 獲得每個(gè)樣本的區(qū)別擴(kuò)增子序列變異（ASVs）代表序列及豐度， 基于序列降噪結(jié)果進(jìn)行微生物多樣性分析。 選用PICRUSt2軟件對(duì)樣本中的微生物群落進(jìn)行功能預(yù)測(cè)分析， 基于京都基因與基因組百科全書(shū)（KEGG）數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行基因注釋。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 反應(yīng)器運(yùn)行效果

4組反應(yīng)器在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)運(yùn)行，進(jìn)水NH+4-N濃度與去除率隨時(shí)間的變化如圖2所示。從圖中可以看出： 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)硝化過(guò)程有較明顯的影響。反應(yīng)器R0、 R1中NH+4-N去除率較高且比較穩(wěn)定； 反應(yīng)器R2中NH+4-N去除率在下降至70%后又恢復(fù)至98%，后期保持平穩(wěn)； 反應(yīng)器R3內(nèi)NH+4-N去除率下降至62%，后期緩慢恢復(fù)至80%左右。上述結(jié)果說(shuō)明： 磁感應(yīng)強(qiáng)度較小（0、 5 mT）時(shí)磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)反應(yīng)器的硝化過(guò)程產(chǎn)生明顯抑制作用； 磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到10 mT時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)反應(yīng)器的硝化過(guò)程產(chǎn)生沖擊， 但微生物能夠快速適應(yīng)； 磁感應(yīng)強(qiáng)度增大到15 mT時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)硝化過(guò)程的抑制作用較為明顯， 且表現(xiàn)出持續(xù)抑制現(xiàn)象。 據(jù)此可以推測(cè)， 氨氧化細(xì)菌（AOB）能較好地適應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0～10 mT的磁場(chǎng)環(huán)境， 繼續(xù)增大磁感應(yīng)強(qiáng)度，其活

反應(yīng)器氨氮（NH+4-N）去除率的影響

性會(huì)受到一定的抑制。

為了進(jìn)一步探究磁場(chǎng)對(duì)硝化過(guò)程中AOB、 亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）菌群的影響規(guī)律，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)出水NH+4-N濃度差與出水NO-2-N、 NO-3-N濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3所示，反應(yīng)器NO-2-N累積率（NAR）變化如圖4所示。

對(duì)比圖3、 4中整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)各反應(yīng)器出水NO-2-N、 NO-3-N濃度和NAR變化可知： 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為5、 10 mT時(shí)， NOB菌群代謝過(guò)程受到抑制，有利于NO-2-N的累積；磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT的磁場(chǎng)有利于NOB菌群的代謝過(guò)程，不利于NO-2-N的累積。如圖3所示，與反應(yīng)器R0相比，反應(yīng)器R3內(nèi)NO-3-N濃度偏高，NO-2-N濃度偏低，NO-2-N的質(zhì)量濃度從108 mg/L降至50 mg/L，NO-2-N累積效果較差。由圖4可知，反應(yīng)器R1、 R2的NAR分別比反應(yīng)器R0的大12％和5％，反應(yīng)器R3的NAR穩(wěn)定在42％左右，比空白組的低約25％，表明磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT的磁場(chǎng)環(huán)境最有利于短程硝化過(guò)程，繼續(xù)增大磁感應(yīng)強(qiáng)度不利于短程硝化過(guò)程。

磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT的磁場(chǎng)對(duì)反硝化過(guò)程具有抑制作用，而磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT的磁場(chǎng)則有利于反硝化過(guò)程的進(jìn)行。如圖3所示，反應(yīng)7 d后反應(yīng)器R0、 R2、 R3的進(jìn)出水NH+4-N濃度差均大于或等于出水NO-2-N、 NO-3-N濃度之和，反應(yīng)器R1的進(jìn)出水NH+4-N濃度差則小于或等于出水NO-2-N、 NO-3-N濃度之和，據(jù)此可推測(cè)在DO濃度較低、 添加無(wú)機(jī)碳源的進(jìn)水條件下，反應(yīng)器R0、 R2和R3內(nèi)不僅存在短程硝化，也存在SND。反應(yīng)器R2的反硝化程度與反應(yīng)器R0的一致，反應(yīng)器R1的反硝化現(xiàn)象最不明顯，原因可能是磁感應(yīng)強(qiáng)度較?。? mT）的磁場(chǎng)對(duì)NOB菌群代謝過(guò)程有抑制作用，出水NO-3-N濃度偏低，從而影響到了反硝化過(guò)程。反應(yīng)器R3的反硝化現(xiàn)象最明顯，由圖2可知，該反應(yīng)器的氨氮去除率最弱，原因是磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的磁場(chǎng)作用導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)菌群活性偏弱，對(duì)DO、 底物、 碳源的消耗較慢，從而為相對(duì)豐度較小的NOB、 反硝化菌群創(chuàng)造了相對(duì)適宜的反應(yīng)條件。

2.2? 微生物群落結(jié)構(gòu)的變化

各反應(yīng)器內(nèi)主要微生物群落屬水平上的相對(duì)豐度如圖5所示。 由圖可知： 與反應(yīng)器R0相比較， 在屬水平上， 磁場(chǎng)作用下的微生物菌群結(jié)構(gòu)組成表現(xiàn)出較豐富的多樣性， 不同菌屬的相對(duì)豐度有顯著變化。 磁場(chǎng)作用不利于假單胞屬菌群、 亞硝化單胞菌群的生長(zhǎng)， 且磁場(chǎng)越強(qiáng)影響越明顯。 假單胞菌屬是生物脫氨過(guò)程執(zhí)行氨氧化和反硝化功能類菌群， 屬于AOB和反硝化菌， 其在SND系統(tǒng)也發(fā)揮重要作用， 亞硝化單胞菌屬于AOB， 是生物脫氨過(guò)程執(zhí)行氨氧化功能類菌群［16］。 隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大， 假單胞屬和亞硝化單胞菌群的相對(duì)豐度均逐漸減小。

磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT的磁場(chǎng)環(huán)境不利于反硝化功能類菌群OLB8［17］的生長(zhǎng)， 磁感應(yīng)強(qiáng)度增大至15 mT則有助于OLB8菌群的生長(zhǎng)。 各反應(yīng)器中OLB8菌群的相對(duì)豐度按所在反應(yīng)器R1、 R0、 R2、 R3的順序依次增大， 較好地解釋了圖3中磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT磁場(chǎng)環(huán)境不利于反硝化進(jìn)程， 而磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT磁場(chǎng)環(huán)境有助于反硝化反應(yīng)發(fā)生的現(xiàn)象。

磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT磁場(chǎng)作用可以促進(jìn)硝化螺旋菌群生長(zhǎng)。硝化螺旋菌屬屬于NOB，是生物脫氨過(guò)程執(zhí)行硝化功能類菌群［18］，其在反應(yīng)器R3的相對(duì)豐度為11.13%，而在反應(yīng)器R0、 R1、 R2中幾乎不存在，與圖3中反應(yīng)器R3出水NO-3-N濃度偏高的結(jié)果一致。

2.3? 氮代謝途徑基因分析

不同反應(yīng)器中微生物群落中14種氮代謝途徑基因豐度如圖6所示。由圖可知： 相較于反應(yīng)器R0，氨單加氧酶和羥胺脫氫酶對(duì)應(yīng)的基因amo、 hao在反應(yīng)器R1中相對(duì)豐度較大，在反應(yīng)器R2、 R3中的相對(duì)豐度較小，原因是氨單加氧酶和羥胺脫氫酶可分別氧化非離子氨和羧氨，均對(duì)氨氧化過(guò)程有重要作用［19］；亞硝酸鹽氧化還原酶和硝酸鹽還原酶narGZ、 nxrA和narHY、 nxrB在反應(yīng)器R1、 R2中相對(duì)豐度較小，而在反應(yīng)器R3中的相對(duì)豐度較大，原因是亞硝酸鹽氧化還原酶和呼吸型硝酸鹽還原酶是微生物中催化亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽及其逆過(guò)程的

關(guān)鍵酶［20］。這一結(jié)果與磁感應(yīng)強(qiáng)度為5、 10 mT時(shí)亞硝酸鹽累積效果好且NAR高，而磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT時(shí)NAR偏低的結(jié)果一致。

3? 結(jié)論

1）磁感應(yīng)強(qiáng)度適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)作用可以有效促進(jìn)短程硝化過(guò)程。 磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT的磁場(chǎng)環(huán)境促進(jìn)短程硝化過(guò)程效果最佳； 磁感應(yīng)強(qiáng)度為10 mT的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)硝化過(guò)程產(chǎn)生一定程度的抑制； 磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT的磁場(chǎng)對(duì)硝化過(guò)程表現(xiàn)出持續(xù)抑制現(xiàn)象， 有利于反硝化過(guò)程的進(jìn)行， 不利于短程硝化過(guò)程。

2）磁場(chǎng)對(duì)短程硝化過(guò)程的影響主要通過(guò)對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群演替的誘導(dǎo)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。 磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)假單胞菌群和亞硝化單胞菌群的相對(duì)豐度減小。 磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT時(shí)OLB8菌群的相對(duì)豐度減小， 磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT時(shí)OLB8菌群、 硝化螺旋菌相對(duì)豐度增大。

3）磁場(chǎng)對(duì)群落結(jié)構(gòu)演替的誘導(dǎo)與優(yōu)化會(huì)引起氮代謝途徑基因豐度的變化。磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT時(shí)氨單加氧酶和羥胺脫氫酶的基因豐度增大，亞硝酸鹽氧化酶的基因豐度減小；磁感應(yīng)強(qiáng)度為10 mT時(shí)， 氨單加氧酶amo、 羥胺脫氫酶和亞硝酸鹽氧化酶的基因豐度均減?。?磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT時(shí)， 氨單加氧酶amo和羥胺脫氫酶的基因豐度減小， 亞硝酸鹽氧化酶的基因豐度增大， 表明磁感應(yīng)強(qiáng)度為5、 10 mT的磁場(chǎng)環(huán)境利于短程硝化過(guò)程，而磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT的磁場(chǎng)環(huán)境不利于短程硝化過(guò)程。

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（責(zé)任編輯：劉? 飚）