2017-08-18
最近，派森諾生物與杭州師范大學合作，在《Ecological Engineering》（最新影響因子:2.914）發表文章，探究磷酸鹽對高效厭氧系統性能和微生物群落的影響。
1. 研究背景
生活、農業以及工業廢水中富含大量營養物種，如氮和磷，這對我們的環境水域健康造成了巨大影響。活性污泥處理污水的方法已有百年歷史，主要是利用懸浮生長的微生物絮體處理有機污水的一類好氧處理方法，但會在處理過程中損耗大量能源。目前厭氧氨氧化處理時提供能源有效利用率的最好方法之一，通過厭氧氨氧化工藝可以通過厭氧消化過程節約和回收有機物質的能量，如甲烷。
磷去除是污水處理的主要指標之一，通常，在除氮過程之后實施磷酸鹽回收的步驟，以便將磷酸鹽引入到基于厭氧氨氧化物的反應器中。但實際廢水中磷酸鹽濃度是多種多樣的，而關于不同濃度磷酸鹽影響厭氧氨氧化反應器的信息非常有限。因此，本研究的目的是調查磷酸鹽對厭氧氨氧化反應的短期以及長期影響，并獲得在不同磷酸鹽負荷程度下除氮效率以及微生物群落的變化趨勢。
2. 研究方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組16S rRNA基因V4區測序
樣本來源：污泥樣本
實驗設計設置兩個污泥厭氧氨氧化反應器，試驗組R1反應器加入磷酸鹽處理，對照組R0不加入任何處理，檢測隨時間變化反應器除氮效果，并在195天時各采集P與CK樣品進行菌群多樣性組成譜檢測。
3. 研究結果
3.1 磷酸鹽對厭氧氨氧化過程的短期影響評估
圖a中將厭氧氨氧化顆粒與污泥絮體物作為研究對象，觀察不同濃度磷酸鹽對厭氧氨氧化反應的急速反應，其中顯示當磷酸鹽濃度在62與155 mg P/L時，絮體物對于厭氧氨氧化活性影響可提升超過20%，但當磷酸鹽濃度高于620 mg P/L時，顆粒和絮體物的反應活性均顯著抑制；圖b為磷酸鹽存在與否對于厭氧氨氧化活性動力的影響，其中顯示當反應器中存在磷酸鹽，可以加強酶對底物的親和力，同時厭氧氨氧化顆粒表現出更好對于磷酸鹽表現除了更大的耐受性；圖c為不同形式的磷酸鹽對于反應器的影響，其中主要取決于磷酸鹽的PH值，HPO42-在弱酸性條件下影響顯著，而H2PO4-在弱堿環境中主導抑制作用.
3.2 厭氧氨氧化反應器的長期性能變化
除氮性能研究中，當氮負荷水平保持在11.2 kg TN m-3/d時，試驗組與對照組初始除氮效率均在85%以上；在70天加入50 mg P/L濃度磷酸鹽時，NO3--N流出濃度兩者出現明顯變化，表明磷酸鹽有利于厭氧代謝反應；當196天將氮負荷水平增加至21 kg TN m-3/d時，對照組樣品顯示性能下降，而試驗組的氮去除率依舊保持在80%以上，表明試驗組樣品具有更大的除氮效力.
3.3 微生物群落組成與多樣性研究
多樣性指數統計結果顯示試驗組樣品的多樣性及物種豐富程度均低于對照組樣品；另外從豐度>1%的各水平微生物類群統計結果可以看出，Proteobacteria與Acidobacteria豐度沒有顯著變化；同時添加磷酸鹽的試驗組Brocadiae顯著降低，但Phycisphaerae顯著增加，這樣的物種變化趨勢在科分類單元中同樣出現。
3.4 代謝功能及代謝網絡預測
代謝功能預測結果顯示碳水化合物代謝與氨基酸代謝途徑豐度值高于其他代謝功能，表明這兩個代謝途徑的特殊重要性；另外試驗組樣品能量代謝豐度要顯著低于對照組樣品，而膜轉運相關途徑豐度要顯著高于對照組；同時基于厭氧氨氧化顆粒物反應器在進行厭氧氨氧化的過程中也發揮著厭氧、發酵、脫氮等作用。
4 研究結論
當磷酸鹽濃度在比較低的水平，即低于155 mg P/L時，可刺激厭氧氨氧化顆粒物與絮體物的厭氧氨氧化活性程度，但當濃度高于310mg P/L時，便會抑制其活性。同時，發現顆粒物受磷酸鹽脅迫的耐受性要高于絮體物，并且磷酸二氫鹽類在弱堿性環境下可抑制厭氧氨氧化反應活性。總而言之，磷酸鹽對厭氧過程的短期影響取決于磷酸鹽濃度、pH值和微生物富集程度，另外，在195天的操作過程中，當顆粒狀污泥反應器的磷酸鹽水平從2到500 mg P/L逐漸增加時，沒有觀察到對脫氮性能的不利影響。雖然微生物群落多樣性和厭氧細菌的相對豐度呈降低趨勢，但優勢厭氧菌株并無顯著變化。因此，通過逐步馴化，顆粒狀厭氧氨氧化反應工藝將在處理富銨和含磷酸鹽廢水方面具有較強的穩定性。
參考文獻
Zhang Z Z, Hu H Y, Xu J J, et al. Effects of inorganic phosphate on a high-rate anammox system: Performance and microbial community[J]. Ecological Engineering, 2017, 101:201-210.
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