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膜生物反应器处理含环丙沙星合成废水(2)

返回列表发布人:tianrenhn   发布时间:2018-10-10  11:38:30

 图 2


图 2 各分类水平微生物群落的数量分布

  在工况1下MBR运行稳定时, 微生物群落分析中共检出了17个门、34个纲、60个目、104个科和232个属.

  当运行至工况2, MBR进水中CIP浓度为5 mg ·L-1时, 微生物体系突然受到CIP的胁迫, 敏感微生物活性受到抑制而死亡, 河南发酵废水处理,使得微生物群落的门、纲和目种类减少; 继续运行至该阶段末, MBR运行逐渐趋于稳定, 此时科和属种类数相较于0 mg ·L-1(33 d)时分别下降了21%和25%.

  继续增加MBR进水中CIP浓度至10 mg ·L-1和15 mg ·L-1, 门和纲水平上微生物种类数基本趋于稳定; 但目、科、属水平上微生物种类数却有较大程度减少, 尤其是属水平, 工况4末的属水平种类数相较于工况1末下降了53%.结果显示, CIP的加入对微生物群落的门和纲数量影响不大, 但对目、科、属数量影响较大; 表明了微生物分类单位越小, CIP胁迫所引起的微生物种类变化越明显.

  为了深入探究不同CIP浓度对微生物群落结构的影响, 接下来分别从门、科、属水平上进行群落结构分析.门水平上, MBR中微生物群落结构分布如图 3所示.

  图 3


图 3 门水平上微生物群落结构分布

  MBR在工况1中运行稳定时, 微生物群落共检出17个门, 优势菌群为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae), 其中变形菌门所占丰度比例最大, 为52%.工况2, MBR进水中开始投加5 mg ·L-1的CIP, 上述优势菌群受到CIP的突然冲击, 其相对丰度比例呈现出不同程度地降低; 厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、Candidatus Saccharibacteria和绿弯菌门(Chloroflexi)为该工况下新增的优势菌群.

  随着运行时间的延长和CIP投加浓度的继续增加, 河南发酵废水处理,上述优势菌群的相对丰度比例呈现不同的变化趋势:变形菌门和拟杆菌门的相对丰度比例呈先升高后降低再升高再降低的趋势, 表明这两种菌群对CIP浓度的增加比较敏感; 浮霉菌门、酸杆菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度比例均呈先增后减的趋势, 表明这3种菌群能适应一定浓度的CIP环境但在更高浓度的CIP环境中很难生存; 5 mg ·L-1(3 d)时新检出的优势菌群均不能适应CIP的长期胁迫而持续减少, 甚至消失.

  在高浓度CIP的长期选择性压力下变形菌门和拟杆菌门成为MBR污泥中的主要菌群, 工况4末二者相对丰度比例分别为57.5%和12.7%, 表明MBR中大部分抗CIP的微生物是属于这两种优势菌群, 这与前人的研究一致.

  科水平上, MBR中微生物群落结构分布如图 4所示(仅显示整个运行过程中平均相对丰度比例≥2.5%的菌科).

  图 4


图 4 科水平上微生物群落结构分布

  工况1条件下, MBR中检出的优势菌科有红环菌科(Rhodocyclaceae)、Kofleriaceae、生丝微菌科(Hyphomicrobiaceae)、Chitinophagaceae和浮霉菌科(Planctomycetaceae), 所占比例分别为15.45%、5.80%、5.67%、16.10%和10.13%;前3者均属于变形菌门, 后两者分别隶属于拟杆菌门和浮霉菌门.工况2, 当MBR进水中开始投加CIP时, 这些优势菌科活性和生长受到CIP的抑制, 相对丰度比例均急剧降低; 而红杆菌科(Rhodobacteraceae)、消化链球菌科(Peptostreptococcaceae)和叶杆菌科(Phyllobacteriaceae)比例增大, 成为优势菌科.

  当MBR在5~15 mg ·L-1的CIP环境中运行期间, 微生物群落结构产生不同的变化.其中红环菌科逐渐适应CIP环境, 相对丰度比例持续增加; Kofleriaceae、Chitinophagaceae和浮霉菌科的相对丰度比例呈现出先升高后降低再升高再降低的过程, 表现出波动状态, 表明这3种菌科易受到CIP浓度增加的影响, 其中Chitinophagaceae的变化趋势与拟杆菌门完全一致; 生丝微菌科、红杆菌科、消化链球菌科和叶杆菌科相对丰度比例逐渐降低,河南发酵废水处理, 表明这4种菌科经不住CIP的长期胁迫.

  面对高浓度CIP长时间的选择性压力, 在工况4末期选择出来的优势菌科为红环菌科、Chitinophagaceae和丛毛单胞菌科(Comamonadaceae), 相对丰度比例分别为29.96%、5.44%和6.60%.

  属水平上, MBR中微生物群落结构分布如图 5所示(仅显示整个运行过程中平均相对丰度比例≥2.5%的菌属).MBR进水中未投加CIP时, 污泥中的优势菌属为Azospira、Kofleria、Ferruginibacter、动胶菌属(Zoogloea)和生丝微菌属(Hyphomicrobium), 所占比例分别为13.07%、5.80%、10.41%、7.03%和4.48%.工况2, 当MBR进水中开始投加CIP时, 上述优势菌属相对丰度比例均急剧降低, 表明其活性和生长受到了CIP的抑制; 此时优势菌属为动胶菌属(隶属于红环菌科)、Tissierella(隶属于消化链球菌科)、Acetoanaerobium和Roseicitreum.

  图 5


图 5 属水平上微生物群落结构分布

  由图 5可知, 继续延长CIP作用时间并增加CIP的投加浓度, 微生物群落结构分布产生显著性差异.其中Azospira、Kofleria、Tissierella、生丝微菌属、Acetoanaerobium和Roseicitreum在CIP长期胁迫下很难生存而失去优势; 而Methyloversatilis、Ferruginibacter、动胶菌属和丛毛单胞菌属(Comamonas)在高浓度CIP的选择性压力下成为优势菌属,河南发酵废水处理, 工况4末各相对丰度比例分别为21.70%、7.56%、5.24%和4.15%.

  门、科、属水平上的微生物群落结构分析表明, 在高浓度CIP的长期胁迫和选择性压力下, 敏感性微生物活性受到抑制而难以生存; 而变形菌门中红环菌科下的Methyloversatilis、Ferruginibacter和动胶菌属及丛毛单胞菌科下的丛毛单胞菌属最终成为了MBR中的优势菌属.

  2.1.2 CIP投加浓度对MBR中微生物群落多样性的影响

  考察CIP投加浓度对MBR中微生物群落丰富度与多样性的影响, 结果如表 2所示.Chao1和ACE指数用来估计微生物群落的丰富度, 而Simpson和Shannon指数代表群落多样性.由表 2可知, 随着MBR进水中CIP投加浓度的增加和反应时间的延长, Chao1指数呈下降趋势, 从0 mg ·L-1(33 d)的1271.7降至15 mg ·L-1(33 d)的469.7, 下降率为63%;ACE指数在整个运行中比较波动, 但整体上呈下降趋势; Simpson指数持续升高, 而Shannon指数持续降低.Chao1、ACE、Shannon指数的降低和Simpson指数的升高表明了MBR污泥中微生物群落受到了CIP的抑制导致部分微生物难以生存而死亡, 使得污泥中微生物群落丰富度和多样性均呈下降趋势, 这与图 2显示的结果一致.


  表 2 CIP投加浓度对微生物群落Chao1、ACE、Simpson和Shannon指数的影响

  2.1.3 CIP投加浓度对部分功能微生物群落的影响

  考察CIP投加浓度对TOC、氨氮和CIP去除效果的影响(如图 6), 浅析污染物去除率变化与微生物群落结构变化的关系.结合图 5和图 6可知, 随着CIP投加浓度从0 mg ·L-1增加到15 mg ·L-1, TOC平均去除率从97.56%下降至90.84%, 表明CIP对有机物去除有所影响但影响程度不大.众所周知, 菌胶团是活性污泥和生物膜的重要组成部分, 是有机物降解去除的主力军; 动胶菌属作为菌胶团的主要构成体, 在CIP长期胁迫下, 其相对丰度比例趋于稳定, 河南发酵废水处理,或许TOC去除效果较稳定就与之相关.

  图 6


图 6 CIP投加浓度对污染物去除率的影响

  图 5显示, 丛毛单胞菌属也逐渐成为MBR中优势菌属之一, 有研究报道该菌属能利用CIP作为碳源[32]; 但在整个运行期间CIP去除率较低, 除了5 mg ·L-1(3 d)时主要靠污泥吸附去除59.03%的CIP外, 其余时段平均去除率仅为7.24%~24.90%, 表明大部分优势菌种虽可在CIP胁迫下生存和繁殖, 但对CIP利用率不高.

  由图 6和图 7可知, 随着CIP投加浓度的增加和运行时间的延长, 亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌属(Nitrospira)相对丰度呈先降低后升高再降低的趋势; 产碱菌属(Alcaligenes)和硝化杆菌属(Nitrobacter)持续减少, 最后消失.这4种菌属的减少或消失对MBR中氨氮的去除造成了负面影响, 平均去除率由0 mg ·L-1(33 d)的96.67%降低至15 mg ·L-1(33 d)的66.52%.虽然硝化微生物对低浓度CIP(μg ·L-1)可能具有一定的抵抗性和适应性, 但在高浓度CIP环境中硝化微生物却很难成为优势菌群,河南发酵废水处理, 导致氨氮的去除效率降低.

  图 7


图 7 CIP投加浓度对硝化菌属的影响

  2.2 CIP对抗性基因(CIP-ARGs)的影响

  由图 3~5可知, 在CIP投加浓度为5 mg ·L-1的阶段, MBR中微生物在门、科和属水平上的优势群落结构分布均存在显著性差异.因此选取该阶段为研究对象, 考察CIP-ARGs平均相对丰度随时间的变化情况, 判断ARGs水平是否也存在类似现象, 结果如表 3所示.本研究选取的抗性基因包括DNA促旋酶A亚单位(gyrA)与B亚单位(gyrB)和拓扑异构酶Ⅳ的C亚单位(parC)与E亚单位(parE).为了减少分析检测过程中产生的误差, 采用CIP-ARGs的相对丰度(目标基因拷贝数/ 16S rRNA拷贝数)进行分析.表 3显示, CIP的加入对MBR微生物产生了较为显著的影响, 其中内参基因16S rRNA的绝对丰度随CIP暴露时间的增加总体上呈降低趋势, 由3.45×107 copies ·g-1降至33 d的1.68×107 copies ·g-1; 4种CIP-ARGs在运行3 d时, 相对丰度均呈现不同程度的降低, 以gyrA基因降低幅度最大, 原因可能是携带这4种抗性基因的部分菌种对高浓度CIP敏感而被杀死.之后随着运行时间的增加, 这4种CIP-ARGs的相对丰度呈波动状态, 但相较于CIP投加初期均有所增加(parE基因除外), 原因可能在于细菌长期暴露在CIP环境中, 河南发酵废水处理,其DNA旋转酶和拓扑异构酶Ⅳ基因的抗性决定区发生基因突变导致细菌对CIP出现抗性作用, 抗药性细菌可能会逐渐被选择成为优势菌群, 这与微生物群落结构分布结果相一致.


  表 3 CIP-ARGs在MBR运行中的波动变化(CIP=5 mg ·L-1)

  3 结论

  (1) 通过考察不同CIP投加浓度下MBR污泥中微生物群落结构变化发现, 随着CIP投加浓度和运行时间的增加, 工况4末, 门水平上Proteobacteria和Bacteroidetes仍然为MBR中的优势菌群, 科水平上Rhodocyclaceae、Chitinophagaceae和Comamonadaceae被选择成为优势菌科, 属水平上Methyloversatilis、Ferruginibacter、Zoogloea和Comamonas被选择成为优势菌属.Chao1、ACE、Shannon指数降低和Simpson指数升高表明MBR中微生物丰富度和多样性均降低.高浓度CIP对硝化微生物Nitrosomonas、Nitrospira、Alcaligenes和Nitrobacter的活性具有抑制作用, 导致氨氮去除效果下降.

  (2) CIP-ARGs分析表明高浓度CIP的长期胁迫使得MBR中的gyrA、gyrB和parC基因增加.

  (3) 本研究仅为CIP对MBR中微生物群落结构特征和抗性基因的影响提供数据支撑, 由于实验规模较小, 未对如何提高耐药菌与抗性基因的削减效果进行探讨, 今后有必要在这一方面, 优化工艺参数与运行条件, 开展放大规模的连续实验, 从技术和经济上进行综合评估.(来源:科学学报 编辑:戴琦)


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