市政相关 探究：二氧化锰对厌氧氨氧化污泥特征及微生物群落影响

一 研究背景


厌氧氨氧化是一种生物介导反应，在缺氧条件下，自养厌氧氨氧化细菌会以亚硝酸盐为电子受体，将铵盐转化为氮气。该反应与传统的硝化作用和反硝化作用相比，产生的污泥和温室气体量少、无需有机碳和运行成本低等特点。因此，在富氮废水处理工艺中，这种生物除氮方法具有很大的开创性和应用前景。但该体系对多种环境因子较为敏感，在一定程度上限制了厌氧氨氧化反应在工业上的直接应用。因此，研究人员尝试采用富集氨氧化细菌、生物膜或膜反应器、物理、磁化、电子和生物强化技术方法解决这些问题。也有研究人员采用添加化学物质的方法来增强厌氧氨氧化过程。

锰具有特殊的物理化学性质，锰氧化物在海洋沉积物中扮演了重要的角色。氧化锰的去氧化反应与含氮化合物的转化、氮气的生成紧密相关。研究表明，厌氧氨氧化反应会发生在海洋底泥生态系统中，锰的氧化反应能够促进厌氧氨氧化过程。然而，在人工厌氧氨氧化反应体系中，锰的氧化反应对特异微生物群落的长期影响还未被深入研究，且污水、底泥中的Mno2对厌氧氨氧化反应和特征也是未知的。目前研究发现，不同水流中Mno2的浓度差异较大，厌氧氨氧化反应的最佳Mno2浓度范围仍需要探究。

7 m: b7 `. H1 ^' q二 研究目的
3 U$ w; h+ |/ {
本研究旨在探究Mno2长期暴露对厌氧氨氧化体系中颗粒的影响，主要包括以下几个方面内容：(a)不同浓度的Mno2对氮去除效率的影响；(b)厌氧氨氧化颗粒性能的变化；(c)微生物群落结构的变化。这些信息能够评估厌氧氨氧化体系对微生物群落稳定性的影响，从而进一步提高工艺水平。

三 材料方法

! j5 x7 M  @7 w3 v! \+ `/ c8 H污泥获取方法：厌氧氨氧化接种污泥从35±1℃固定温度下运行一年的3.5 L规格升流式厌氧污泥床（UASB）反应器中获取。

( P# k( z2 S9 k& X( L7 E9 n合成污泥组成元素：反应培养所用的合成污泥由铵盐、亚硝酸盐、无机盐溶液和微量元素组成。

5 S. }+ w7 h8 F: i测定和分析方法：采用苯酚-次氯酸盐法、N（1萘）-乙二胺法、苯酚-二磺酸法、APHA标准方法、加热萃取方法、蒽酮法和改良酚试剂法等对其进行测定和分析。
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( a% F) ~8 }# o0 E取样和测序处理：取在反应器中运行第25、145和175天时的底泥样品，扩增16S RNA的V4区域，测序并进行微生物群落分析。

' a  G( W) ^2 ]. r; E2 ]" o- q四 结果与讨论
3 F9 |: I% U9 t; w- N2 i0 X. \5 C
2 c1 x) D; U& f/ G0 H5 t1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用

! a' C; o: d: g3 ^从P0到P5阶段，流出水的PH值先降后升，且在50 mg/L Mno2时该反应体系即可达到最佳效果。


表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率

/ `3 B: X8 M0 ^  T& a2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响
7 o: I' T5 t! k. U$ H0 {
. ]% z* t+ ?$ v4 m" Y厌氧氨氧化反应中Mn2+的添加能提高SAA水平。该生物反应对生物量的变化无显著影响（见下图）。
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图1  在不同阶段，反应器中厌氧氨氧化菌的特异厌氧氨氧化活性(SAA)(图A)和生物量的变化。SS：悬浮颗粒，ASS：挥发性悬浮颗粒。
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: G, Q0 J% q$ G- @同时，由下图可猜测该反应产生的血红素C与Mno2的添加有关。
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& G6 ~9 m, M& D4 E3 Z& c0 Q
5 L( P: b/ H6 j# n( C# S图2 反应器中厌氧氨氧化菌的血红素C含量的变化。
2 L2 ~3 T6 \0 X5 k( F/ _
0 a$ e4 _; j; T7 W2 q1 Z3 ?; j% K长期驯化能够提高自养厌氧氨氧化细菌的适应性，Mno2的添加能使微生物产生更多的EPS，EPS的产生可能更有利于脱氮作用。高浓度Mno2使厌氧氨氧化体系有更好的沉降性能。Mno2的长期添加对沉降性能的提高有利（见下图）。
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图3 不同阶段，MnO2的长期添加对厌氧氨氧化菌的胞外聚合物（EPS）数量（图A）和沉降速度-Vs（图B）的影响。
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PN：蛋白质，PS：多糖。

3. 微生物群落组成和多样性

" |' p" d' m( R由下可知，随着Mno2的持续添加，微生物群落的多样性也持续升高。


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表2  反应器中污泥样品的细菌多样性指数。



图4   反应器颗粒污泥中数量比例大于0.5%的微生物群落结构。（A）表示从门类划分。

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, p9 i* z5 t  y图5  反应器颗粒污泥中数量比例大于0.5%的微生物群落结构。（C）表示从属类划分。

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2 [* M6 Q8 V+ o) x* w
) o# L  s$ P- y8 D3 j  ]图6 反应器颗粒污泥中数量比例大于0.5%的微生物群落结构。

* t2 d6 X# l( V) I" H; Z. B; S1 H（B）表示从属类划分。
* c9 G, V0 o% A* a- i/ L
本文探究了Mno2、细菌和NRR之间的关系。结果显示，浮霉菌门（Planctomycetes）与NRR呈正相关关系，表明在UASB的厌氧氨氧化反应过程中，浮霉菌门（Planctomycetes）对氮的去除起到了积极作用；另外，在该反应中，Candidatus Kuenenia数量比例与TREN值的变化一致，表明Candidatus Kuenenia 对厌氧氨氧化反体系中氮的去除至关重要。

" L: H/ E5 [! ^# V* e% ?, o五 结论
2 I- D+ u1 _+ ?$ o7 I7 |% d
3 ]/ ^1 e! Q% T" V) k) S8 E6 J5 F3 @长期添加1-200 mg/L的Mno2对氮的去除起到了积极作用。NRR与理化特征（沉降速率-Vs）和生物学特征（SAA、血红素C和EPS）有相同的变化趋势。随着Mno2的持续添加，微生物的优势门、纲、属的丰富度和多样性的变化增长趋势一致。厌氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia）总是保持为优势属。从试验结果和经济方面来看， Mno2浓度达到50 mg/L时，该反应体系即可达到最佳效果。本文研究结果表明，Mno2在anammox体系中起重要作用，它不仅能增强该体系的运行性能，还能起催化作用。
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文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system
发表杂志：Science of the Total Environment
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