受硝酸盐氮驱动的活性污泥微生物聚磷菌分支数量和组成的变化

受硝酸盐氮驱动的活性污泥微生物聚磷菌分支数量和组成的变化

潘文博，唐子俊，于严博，王晓玲

吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118

摘要：为确定硝酸盐氮及其浓度变化是否为聚磷菌及其各分支数量和组成变化的主要驱动因素，对不同硝酸盐氮浓度条件下，聚磷菌及其各分支数量和组成进行定量分析，结果表明，随着硝酸盐氮投加浓度从10mg/L增加至40mg/L：Accumulibacter分支ⅠA、IIC和ⅡD的ppk基因数量逐渐升高。

1引言

PAOs主要隶属于Beta-proteobacteria中的Rhodocyclus  Group ，被命名为“CandidatusAccumulibacter phosphatis”，是占主导地位的除磷微生物。Accumulibacter 进化分支众多，而其中Accumulibacter IA、IIC和 IID是已证明的，能利用硝酸盐氮进行吸磷的聚磷菌分支。根据活性污泥微生物学反应机理可推测，硝酸盐氮的投加和浓度高低，将可能影响Accumulibacter IA 、IIC和 IID的培养和驯化。为验证其机理，本文运行缺氧-好氧SBR，以配置污水为处理对象，采用荧RT- PCR技术对Accumulibacter IA 、IIC和 IID进行了定性和定量研究。

2 试验方法和试验方案

2.1试验装置

批量试验在4个有效容积为4.5L的A/ASBR反应器内进行。反应器直径为15cm，高35cm，超高约为10cm。反应器中安装WTW inolab pH探头和ORP探头；为防止氧气进入，反应器封盖。反应器进水来自于配水箱，有效容积16.4L，L×B×H=20cm× 20cm×50cm，超高9cm。

2.2 试验方案

试验采用人工配置污水，乙酸为碳源、KH2PO4为磷盐。A/ASBR反应器按周期运行：进水5min，厌氧2h、缺氧4h，沉淀1.5h，排水/排泥25min。厌氧释磷反应结束之后，分别向反应器内投加不同量的硝酸盐钾：0.30、0.60、0.90、1.20g，进入缺氧吸磷段。反应器启动30个周期后，释磷、吸磷、反硝化效果基本维持稳定，开始取样进行试验研究。

2.3 DNA提取和实时定量PCR试验

试验期间，从4个A/ASBR反应器内提取混合液，采用 MP 土壤 DNA 快速提取试剂盒(Bio 101, Vista, CA, USA)提取DNA。采用“Candidatus Accumulibacter”特异性功能基因ppk，利用实时定量PCR技术测定Accumulibacter IA、Accumulibacter IIA、Accumulibacter IIB、Accumulibacter IIC 、Accumulibacter IID和Accumulibacter IIF绝对丰度。

3 结果与讨论

根据聚磷菌各分支ppk基因的实时定量PCR结果，所有7个分支在每个活性污泥样品中都存在，检测结果表1。

表1 聚磷菌各分支实时定量PCR检测结果

从表1中可以看出，不同硝酸盐氮浓度条件下，Accumulibacter IIC在各反应器中均占优势，含量远远高于其他分支，且随着硝酸盐氮浓度的升高，数量不断增加。此外，IIC 和 IIC(ppk1 excluding OTU NS D3)作为 IIC分支的两个亚种，在整个系统中的丰度变化情况有所不同：相比于 IIC(ppk1 excluding OTU NS D3)，IIC具有明显的竞争优势，数量随着硝酸盐氮投加浓度的增加而增加，最高占总Accumulibacter的84.53%。随着硝酸盐氮投加浓度的增加，Accumulibacter ⅠA和Accumulibacter ⅡD基因拷贝数分别增加， Accumulibacter IIC、Accumulibacter ⅡC(ppk1 excluding OTU NS D3)整体呈增加趋势(40mg/L时降低)，这说明，硝酸盐氮为A/ASBR提供了逐渐充足的电子受体，促进了活性污泥在厌氧/缺氧环境下的交替循环，驯化了更多的具有反硝化功能的聚磷菌分支。从表1中可以看出分支IIA、IIB以及IIF的绝对丰度在统计上明显低于其他分支，说明在整个过程中的贡献较小。

4结论

随着硝酸盐氮投加浓度的增加，聚磷菌分支中具有反硝化能力的Accumulibacter ⅠA、Accumulibacter IIC、Accumulibacter ⅡC(ppk1 excluding OTU NS D3)以及Accumulibacter ⅡD的数量和组成发生显著变化； Accumulibacter IIA、IIB以及IIF在A/ASBR的活性污泥中所占比例较小，甚至接近于0，但并未被淘选出系统。

参考文献

[1]Xiaoling Wang, Xiaoyu Zhang, and Hai Lu. Use of nitrate-nitrogen concentration for controlling source, cellular matter production and oxygen consumption for sewage treatment[J]. Korean J. Chem. Eng., 37(2), 249-262 (2020). DOI: 10.1007/s11814-019-0447-z

[2]LI Huankai,ZHONG Yuming,HUANG Hui,et al. Simultaneous nitrogen and phosphorus removal by interactions between phosphate accumulating organisms ( PAOs) and denitrifying phosphate accumulating organisms ( DPAOs) in a sequencing batch reactor[ J] . Science of the total environment,2020,744:140852-140860.

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项目来源：吉林省大学生创新创业训练计划项目（S202210191089）。