汙水處理還在靠脫氮劑？厭氧氨氧化系統更有效！

最近，派森諾生物與西北農林科技大學合作，在《RSC Advances》發表文章（最新影響因子3.289），揭示了碳氮比在氨氧化系統長期處理汙水過程中的重要性，以及不同碳氮比對氨氧化菌群的多樣性組成譜變化的影響。

研究背景

厭氧氨氧化是指在缺氧條件下以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，將氨轉化為N2的生物脫氮過程，主要被應用於氨富集的汙水處理工藝中。它由一群高度複雜的原核菌群構成，其中細菌占主導地位。厭氧氨氧化細菌被發現於反硝化反應器中，它們主要是由Plantomycete門組成，共有6個屬。由於厭氧氨氧化菌生長速率很緩慢，並且對環境條件很敏感，因此厭氧氨氧化微生物的應用並不廣泛。厭氧氨氧化菌是自養菌，並有研究報道，有機碳的碳氮比（TOC/TN）是自養氨氧化和異樣氨氧化反應的關鍵所在，所以碳氮比（TOC/TN）是生物脫氮的關鍵因素。

研究目的

汙水的排放對河流水質的影響日趨嚴重，為了更好地運用生物脫氮方法對汙水進行處理，本研究從4個方面對SBR序列批式反應器系統進行探究：1、有機碳氮比（TOC/TN）對有機氨氧化菌的生長速率及生物活性的影響；2、有機氨氧化細菌在不同TOC/TN比下對氨氧化過程的重要度；3、脫氮速率與相關功能基因之間的定量關係；4、厭氧氨氧化菌群的多樣性與不同TOC/TN比的關係。通過這4個方面的研究，旨在闡明TOC/TN比在厭氧氨氧化系統對汙水處理的長期作用中，對該過程的影響以及氨氧化菌群結構的多樣性變化。

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V3-V4區測序

實驗對象：SBR反應器中的活性汙泥

實驗設計：為研究氨氧化系統對汙水處理的長期作用，取900 ml的種子汙泥，接種於新的SBR系統中，進行為期140天的長期反應。將140天分為6個階段，第一階段1~62天為適應期，在適應期過後，將乙酸鹽和丙酸鹽的混合溶液加入到反應器中保持每個階段不同的TOC/TN比；在每個階段的最後時刻，取SBR反應器中0.5 g汙泥用於DNA的提取及後續測序。新的SBR系統的工作體積為2.6 L，工作時間為12小時。每個階段氨和亞硝酸的流入濃度以及TOC/TN比的具體數值見下表：

研究結果

對5個樣本進行高通量測序，獲得14,505~21,586條序列，5個樣本在97%的序列相似度水平歸併為1112~1750個OTU，共包含個15細菌門和144個屬。其中，Planctomycetes、Proteobacteria、Chloroflexi、Chlorobi為優勢門。

在不同TOC/TN比下， SBR反應器系統中汙泥進行短程厭氧氨氧化反應，動力學結果表明在TOC/TN等於0.20時厭氧氨氧化菌的生長速率最大（0.1236 d-1）；並且，當TOC/TN在0.05~0.61之間時，Ca. Brocadia sinica的生長速率和氨氧化活性都較高。

對SBR系統進行長期汙水處理的效果進行檢測，發現在I~III階段中SBR的脫氮效率及脫氮速率隨著時間有少許降低，但是總體維持在較高水平；而進入IV階段後，脫氮效率脫氮速率則明顯降低；進入恢復期，加入了高濃度的氨氧化菌汙泥後，脫氮效率脫氮速率又有明顯回升。

在II~IV階段，自養氨氧化和有機營養型氨氧化是主要的脫氮途徑，隨著時間的推移，脫氮比例有少許減少（從76.03%到76.48%）；但是進入第V階段後，氨氧化途徑的脫氮比例顯著下降（2.42%），而反硝化途徑的脫氮比例明顯增加。

熒光定量PCR結果顯示，從階段I到IV氨氧化細菌的AOB基因丰度逐步升高，而進入第V階段後，AOB基因丰度明顯下降，說明AOB基因對TOC/TN的耐受範圍在0.1~0.4之間。

逐步迴歸方程分析結果表明，在不同的TOC/TN比下，厭氧氨氧化、反硝化及有機氨氧化能同時存在於厭氧氨氧化SBR系統中，三者的共存使得脫氮和有機碳的去除可同時進行。

通過對NH4+-N 、NO2--N、NO3--N 、TN、TOC的轉化效率進行分析，得到可視化的氮素轉化通路圖，由通路圖可知具有AOA、AOB、nrfA及厭氧氨氧化功能基因的細菌是NH4+-N轉化的關鍵菌群；在TOC/TN≤0.1，即在第I~II階段時，厭氧氨氧化是NO2--N轉化的主要途徑，而在TOC/TN≥0.2（第III~V階段）時，NO2--N轉化的主要途徑是反硝化；在TOC/TN≥0.2時，nrfA和脫硝是NO2--N和NO3--N主要轉化途徑。

每個階段汙泥樣品中菌群的多樣性結果顯示，Planctomycetes是最主要優勢門，平均相對丰度為31.25%，另外3個優勢門分別是Proteobacteria（22.22%）、Chloroflexi（17.93%）及Chlorobi（11.78%）

將27個優勢屬進行菌群——功能一致性分析，由熱圖可視化結果可知在與厭氧氨氧化功能相關的3種屬中，Ca. Brocadia sinica的相對丰度從第I~IV階段逐漸升高，但是進入第V階段後，其丰度有所下降；Ca. Jettenia asiatica在第II~III階段中相對丰度有小幅增加，但是進入第5階段後顯著下降；Ca. Kuenenia stuttgartiensis不存在於第I階段中，但在低TOC/TN比中具有一定丰度，並且在第IV、V階段中它的相對丰度也顯著降低。

總結

本研究通過動力學分析、熒光定量PCR以及高通量測序等方法，將短程氨氧化和長期氨氧化分析結果相結合，闡明不同TOC/TN比對長期運用厭氧氨氧化系統進行汙水處理的影響，為SBR汙水處理工藝中TOC/TN比的控制提供有力的科學依據！

本研究的測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。

文章索引

Shu D, He YL, Yue H, Gao JL, Wang QY, Yang SC (2016) Enhanced long-term nitrogen removal by organotrophic anammox bacteria under different C/N ratio constraints: quantitative molecular mechanism and microbial community dynamics. RSC Adv 6:87593–87606

文案 微生物組事業部