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 [复制链接]

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京东
一 研究背景
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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。
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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。) a' f1 w) u9 J! V

1 d4 t  s! k/ F5 o% l# q: c; }二 研究目的+ }4 Y# R0 ]4 Z. {) |
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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。
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( e! k; M6 j4 S% S4 `+ r+ s三 材料方法. ]2 C' x( @7 ~5 ]# z& b
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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。$ M( W* s3 T& e1 v! v1 W( m

) S; |0 s6 a+ m# {/ [- |5 \5 o6 F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。- F/ A" E4 S: d* m; L5 P

. Q+ y/ h) h8 E  U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。" B- Y+ e- x# I0 e5 y9 ^3 J& @
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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。
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1 T, ~, H" d- d) p四 结果与讨论3 x4 H( }0 l- Z8 G: C$ V
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1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用. \+ I7 j8 X% J( J; U
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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。1 q4 I; Y1 Z# k  g
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% |$ S; L& `+ g% t3 n表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率$ W* ?8 A5 z2 F$ Y) C- w
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2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响
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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)。. Z$ F( V7 M; M# v* r

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3 x# B, [9 a; u; g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。- R! Z; m% ~1 Y( w$ F
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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。( G* N  g. a# n% b8 J

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图2 反应器中厌氧氨氧化菌的血红素C含量的变化。; H/ @; r" w- K& S0 |/ u: s4 o2 d/ c

8 S- R/ }, g' m! o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。% Z6 L3 b6 V- O1 f1 I

7 \9 _$ E: J, T! vPN:蛋白质,PS:多糖。
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3. 微生物群落组成和多样性
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  k2 _; K* X, P9 ]; {% P0 M( }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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. |: f- ^  Z5 p; M  i表2  反应器中污泥样品的细菌多样性指数。
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0 n) S- a$ F+ D7 l  H6 t2 a 环保之家5.JPG 7 Z2 x( _& [3 S* g
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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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4 y1 Z4 T3 ?$ N4 q9 G8 h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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, N, q8 `5 G8 @8 Y 环保之家7.JPG 1 H) [; I6 P' S* T2 S( G
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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。
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# ?8 ], u- ]- I+ v9 t3 _(B)表示从属类划分。! @2 ^* M8 E: _* ~8 @
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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。
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, v( D( o, f0 S* w: b8 A, `& x) v五 结论
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" L) \: s- N# |. q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。% u& i2 h: ^7 g2 r5 Y0 V

, {1 W9 _% u4 W# e; w# p文章题目:Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system4 a; Y! d6 S$ h+ i9 v
发表杂志:Science of the Total Environment
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