Effects of dissolved oxygen on microbial community of single-stage autotrophic nitrogen removal system treating simulating mature landfill leachate

溶解氧對(duì)處理模擬成熟垃圾滲濾液的單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)微生物群落的影響

來(lái)源：Bioresource Technology, Volume 218, 2016, Pages 962-968

《生物資源技術(shù)》，第218卷，2016年，第962-968頁(yè)

 

摘要

摘要指出，本研究調(diào)查了四個(gè)相同的序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）在30°C下處理含2000 mg/L氨氮的模擬成熟垃圾滲濾液的自養(yǎng)脫氮性能。主要目的是評(píng)估溶解氧（DO）對(duì)單級(jí)厭氧氨氧化和部分亞硝化（SNAP）系統(tǒng)性能和微生物群落的影響。在施加負(fù)載為0.5 kg N m?3 d?1時(shí)，最佳DO濃度為2.7 mg/L下，平均總氮去除效率（TNRE）長(zhǎng)期高于90%。微電極測(cè)量的剖面顯示了生物膜內(nèi)部的微環(huán)境。16S rRNA擴(kuò)增子焦磷酸測(cè)序和變性梯度凝膠電泳（DGGE）用于分析不同DO濃度和反應(yīng)器內(nèi)部不同位置的微生物變化。

 

研究目的

研究目的是評(píng)估溶解氧（DO）對(duì)單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)（結(jié)合厭氧氨氧化和部分亞硝化，即SNAP）的性能和微生物群落的影響，以確定最佳DO條件，實(shí)現(xiàn)高效氮去除，同時(shí)分析微生物群落的響應(yīng)。

 

研究思路

研究思路包括設(shè)置四個(gè)平行的序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR），在相同操作條件下運(yùn)行，但控制DO濃度分別為1.0、2.0、2.7和3.5 mg/L。系統(tǒng)處理模擬成熟垃圾滲濾液，監(jiān)測(cè)氮去除性能（如總氮、氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度）。使用微電極技術(shù)測(cè)量生物膜內(nèi)部的氧化還原電位（ORP）剖面，以揭示微環(huán)境。同時(shí)，采集污泥樣品進(jìn)行DNA提取，應(yīng)用DGGE和16S rRNA測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，以關(guān)聯(lián)DO條件與微生物動(dòng)態(tài)。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 數(shù)據(jù)來(lái)自圖1：測(cè)量了不同DO濃度（1.0、2.0、2.7和3.5 mg/L）下的總氮去除效率（TNRE）和氨氮去除效率（ARE）。研究意義是顯示DO對(duì)氮去除效率的顯著影響，最佳DO為2.7 mg/L時(shí)TNRE超過(guò)90%，幫助識(shí)別最優(yōu)操作條件，避免DO過(guò)低或過(guò)高導(dǎo)致的效率下降。

 

2. 數(shù)據(jù)來(lái)自圖2：測(cè)量了一個(gè)操作周期內(nèi)氮濃度（氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽）的動(dòng)態(tài)變化。研究意義是揭示SNAP系統(tǒng)的瞬時(shí)去除過(guò)程，顯示部分亞硝化和厭氧氨氧化的協(xié)同作用，強(qiáng)調(diào)DO控制對(duì)維持反應(yīng)平衡的重要性。

 

3. 數(shù)據(jù)來(lái)自圖3：使用微電極測(cè)量了生物膜內(nèi)部的ORP剖面，顯示不同DO濃度下的氧化還原梯度。研究意義是直接可視化生物膜微環(huán)境，證實(shí)外部好氧區(qū)和內(nèi)部厭氧區(qū)的存在，支持氨氧化細(xì)菌（AOB）和厭氧氨氧化細(xì)菌（AAOB）的共存，為優(yōu)化DO提供機(jī)理依據(jù)。

 

4. 數(shù)據(jù)來(lái)自圖4：通過(guò)16S rRNA測(cè)序分析了微生物群落在門水平和種水平的組成，如Proteobacteria、Xanthomonas campestris和Nitrosomonas europaea的相對(duì)豐度。研究意義是顯示DO如何影響優(yōu)勢(shì)菌群比例，例如在DO為2.7 mg/L時(shí)AOB與AAOB比例約為4:7，揭示微生物群落結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)，并解釋難降解有機(jī)物去除的可能機(jī)制。

 

5. 數(shù)據(jù)來(lái)自圖5：通過(guò)DGGE分析了反應(yīng)器不同高度（15cm、25cm、35cm）的微生物群落圖譜。研究意義是顯示盡管優(yōu)勢(shì)菌群相似，但存在小范圍差異，表明DO梯度導(dǎo)致微環(huán)境變化，影響微生物分布，強(qiáng)調(diào)反應(yīng)器內(nèi)部均勻性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性。

 

 

結(jié)論

1. 最佳DO濃度為2.7 mg/L時(shí)，系統(tǒng)能長(zhǎng)期維持總氮去除效率高于90%，表明DO控制是單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

2. 微電極測(cè)量證實(shí)生物膜內(nèi)部存在好氧和厭氧微環(huán)境，支持AOB和AAOB的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)部分亞硝化和厭氧氨氧化。

3. 微生物分析顯示AOB（如Nitrosomonas europaea）與AAOB（如Xanthomonas campestris）的比例約為4:7，接近理論最優(yōu)值，確保氮去除途徑的平衡。

4. DO升高會(huì)導(dǎo)致AAOB相對(duì)豐度下降，而AOB增加，影響氮去除效率，強(qiáng)調(diào)需避免DO過(guò)高引起的硝酸鹽積累。

5. 系統(tǒng)對(duì)難降解有機(jī)物有一定去除能力，可能與Comamonas sp.和Ferruginibacter alkalilentus等菌群相關(guān)，擴(kuò)展了SNAP系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量氧化還原電位（ORP）剖面，提供了高分辨率的生物膜內(nèi)部微環(huán)境數(shù)據(jù)。研究意義在于，這些測(cè)量直接揭示了DO梯度如何形成外部好氧區(qū)和內(nèi)部厭氧區(qū)，支持氨氧化細(xì)菌（AOB）在好氧層進(jìn)行部分亞硝化，而厭氧氨氧化細(xì)菌（AAOB）在厭氧層完成脫氮。例如，在DO為2.7 mg/L時(shí)，ORP從生物膜表面的-2.8 mV降至4mm深處的-166.8 mV，創(chuàng)建了適合AAOB的厭氧條件，這幫助驗(yàn)證了單級(jí)反應(yīng)器中微生物分層的可行性。這種實(shí)時(shí)微環(huán)境數(shù)據(jù)優(yōu)化了DO控制策略，避免了因DO不當(dāng)導(dǎo)致的抑制問題，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率，為全規(guī)模應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。