硫自養(yǎng)微生物降解水中低濃度高氯酸鹽的研究——反應(yīng)器效能及微生物種群空間分布

劉永德,王依依,萬東錦*,肖書虎

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硫自養(yǎng)微生物降解水中低濃度高氯酸鹽的研究——反應(yīng)器效能及微生物種群空間分布

劉永德1,王依依1,萬東錦1*,肖書虎2

(1.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州450001；2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京100012)

考察了升流式硫自養(yǎng)固定床反應(yīng)器對水中低濃度高氯酸鹽[(468.74±6.80) μg/L]的降解效能及相關(guān)機(jī)制,并利用高通量測序技術(shù)對反應(yīng)器內(nèi)微生物種群空間分布特性展開分析.研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)HRT為4.00~0.75h時,高氯酸鹽去除率達(dá)到97%以上,降解符合1/2級反應(yīng)動力學(xué)模型,1/21/2v為39.59 [μg1/2/(L1/2×h)].隨著HRT由4.00h縮短至0.75h,出水SO42-增量由173.37mg/L減小至90.07mg/L,由歧化反應(yīng)產(chǎn)生的硫酸根占90.75%~93.91%,硫歧化反應(yīng)與高氯酸鹽的降解同步進(jìn)行,同時,該反應(yīng)也是堿度過量消耗的主要因素,導(dǎo)致出水pH值降低.測序結(jié)果表明,隨著高度的增加,反應(yīng)器內(nèi)菌群多樣性降低.變形門()和綠菌門()構(gòu)成了反應(yīng)體系的優(yōu)勢菌群.菌屬為歧化反應(yīng)菌屬,是反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢菌屬.

高氯酸鹽；硫自養(yǎng)；動力學(xué)；硫歧化反應(yīng)；高通量測序；群落結(jié)構(gòu)

高氯酸鹽是一類非揮發(fā)性,易溶于水的物質(zhì),由于其性質(zhì)穩(wěn)定且難被土壤及礦物吸附,一旦進(jìn)入環(huán)境就會隨地表及地下水遷移擴(kuò)散.多年來,高氯酸鹽被廣泛使用于煙火制造、火箭助推劑、軍工、紡織、電鍍、皮革等領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)中[1].中國作為煙花制造及消費(fèi)的大國,存在著高氯酸鹽污染水體的風(fēng)險.高氯酸鹽對人體的危害主要表現(xiàn)在抑制甲狀腺對碘化物的吸收,干擾甲狀腺正常功能,引發(fā)成人新陳代謝失調(diào)及阻礙兒童正常生長發(fā)育等方面[2].美國環(huán)保局(EPA)已經(jīng)把ClO4-列入飲用水候補(bǔ)污染物清單,2005年美國EPA發(fā)布的毒理學(xué)評價草案中,規(guī)定人體參考劑量為0.7μg/kg體重,等同于飲用水中濃度為24.5μg/L[3].

由于高氯酸鹽在水溶液中呈現(xiàn)惰性,常規(guī)的給水處理技術(shù)如混凝、沉淀、過濾等單元均不能對其有效去除[4].而生物法是指微生物在缺氧或厭氧的條件下利用高氯酸鹽作為電子受體,在電子供體的作用下將其轉(zhuǎn)化為氯離子,該過程實(shí)現(xiàn)了高氯酸鹽的形態(tài)轉(zhuǎn)化,易實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用,具有諸多優(yōu)勢[5].根據(jù)所需電子供體的不同,生物還原高氯酸鹽分為異養(yǎng)和自養(yǎng)還原.異養(yǎng)還原需要加入有機(jī)物作為電子供體,有二次污染的風(fēng)險.自養(yǎng)還原高氯酸鹽所需電子供體主要包括氫氣、硫磺、零價鐵等無機(jī)物,因其過程友好,細(xì)菌增殖緩慢,具有獨(dú)特優(yōu)勢[6].單質(zhì)硫磺不溶于水,可直接作為微生物載體,與氫氣、零價鐵相比,價廉易得,逐漸受到研究者青睞.硫自養(yǎng)還原高氯酸鹽理論方程式如下:

3ClO4-+4S0+4H2O?8H++4SO42-+3Cl-(1)

近年來,一些學(xué)者通過序批式研究證實(shí)了硫自養(yǎng)還原高氯酸鹽可行性并觀察到硫岐化反應(yīng)[7],對硫自養(yǎng)反應(yīng)的操作條件進(jìn)行了初步優(yōu)化[8],并采用PCR-DGGE技術(shù)對硫自養(yǎng)微生物開展分子生物學(xué)研究[9].在連續(xù)流實(shí)驗(yàn)方面,研究表明,當(dāng)水力停留時間為13h時,硫自養(yǎng)固定床生物反應(yīng)器可以將4~8mg/L的高氯酸鹽降低至0.05mg/L以下[10].在本課題組前期研究中,發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)器在HRT為1h的條件下對高濃度高氯酸鹽(21.07~22.40mg/L)的去除率可達(dá)99%以上[11].

盡管近些年的研究已取得一定的進(jìn)展,但許多研究中高氯酸鹽初始濃度設(shè)置過高(mg/L級),結(jié)合實(shí)際污染情況,研究低濃度水平(ppb級)的污染十分必要.此外,對于硫自養(yǎng)固定床反應(yīng)器來說,一些機(jī)制尚不清晰,比如:高氯酸鹽的降解動力學(xué)特征,動態(tài)反應(yīng)過程中硫酸鹽的產(chǎn)生趨勢,硫歧化反應(yīng)的規(guī)律等問題仍需進(jìn)一步明確.與此同時,在分子生物學(xué)領(lǐng)域,新的技術(shù)和方法也發(fā)生著巨大變革,高通量測序技術(shù)又稱為下一代測序技術(shù),在分析復(fù)雜菌群方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢[12],通過測定大量DNA序列,可以同時給出定性和定量結(jié)果,其是對于豐度較低(0.01%~0.1%)的菌落,該技術(shù)仍具有較強(qiáng)的識別能力,已成功應(yīng)用于活性污泥[13]、膜生物反應(yīng)器[14]等復(fù)雜環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)及其變化的研究中.

本研究以硫自養(yǎng)固定床反應(yīng)器為研究對象,進(jìn)一步完善反應(yīng)器對水中低濃度高氯酸鹽的降解效能及機(jī)理研究,明確高氯酸鹽的降解動力學(xué)特征,硫酸鹽的產(chǎn)生趨勢及硫歧化反應(yīng)的規(guī)律,并結(jié)合反應(yīng)器工況,利用高通量測序技術(shù)對反應(yīng)器內(nèi)微生物種群空間分布特性展開分析,為硫自養(yǎng)固定床反應(yīng)器在降解高氯酸鹽污染的應(yīng)用提供理論支持.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置建立及啟動

硫自養(yǎng)反應(yīng)器由內(nèi)徑為5cm,總高50cm的有機(jī)玻璃柱制成.反應(yīng)器保持密閉,外部設(shè)水浴夾套,維持溫度恒定(27±2℃),內(nèi)裝填粒徑為2.5~ 3.5mm的硫磺顆粒(購自燕山石化),裝填高度為40cm,空隙率32%,總有效體積為0.250L.距反應(yīng)器底部10、20及30cm高度處分別設(shè)置3個取樣口,取樣口內(nèi)徑為1cm,長5cm,用于水樣及生物樣品采集.底部設(shè)置承托層均勻布水,水流方向自下而上,溢流出水,出水管直徑為1cm,長5cm.模擬受污水采用靜置過夜的自來水(鄭州高新供水)加NaClO4(468.74±6.80)μg/L、20mg/L NaHCO3和5mg/L的KH2PO4(以上藥劑均為分析純)配制而成.其他水質(zhì)指標(biāo)分別為:TOC 3.78~4.12mg/L; Cl-108.06~128.50mg/L;SO42-73.35-~96.81mg/L; NO3--N 1.06~1.77mg/L.由于硫自養(yǎng)填充床中硫氧化菌可以直接實(shí)現(xiàn)缺氧狀態(tài)[15],因此原水并未吹脫溶解氧,由蠕動泵(BT-100-2J,保定蘭格)將模擬受污水由原水桶泵入反應(yīng)器.

采用鄭州市五龍口污水處理廠氧化溝缺氧段活性污泥浸泡硫磺48h接種(接種量約10g MLVSS),而后將硫磺裝柱開展連續(xù)流實(shí)驗(yàn).

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行反應(yīng)器80d,保持水力停留時間(HRT)分別為4.0、2.0、1.0、0.75h,每個HRT條件下,反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行20d.定時測定進(jìn)出水各離子濃度、pH及堿度等指標(biāo).待出水各離子濃度維持恒定(偏差小于5%)時,認(rèn)為其達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.在HRT分別為1.0和0.75h,反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,于3個取樣口分別取樣,測定各離子濃度沿程變化,確定反應(yīng)動力學(xué)及硫歧化反應(yīng)發(fā)生趨勢.在HRT為0.75h,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下,分別收集3個取樣口的生物樣品,用于高通量測序技術(shù)分析微生物種群結(jié)構(gòu)及空間分布特征.

1.3 分析與測定

本實(shí)驗(yàn)中所有水樣分析前均采用0.20 μm水系微孔濾膜過濾.樣品中ClO4-和SO42-濃度采用美國熱電ICS-600離子色譜儀分析測定,色譜條件:色譜柱型號AS-16,保護(hù)柱型號AG-16,淋洗液KOH 25mmol/L,淋洗液流速1.0mL/min,柱溫30℃,每個樣品分析時間30min.采用10和500μL定量環(huán),SO42-和ClO4-最低檢出限分別為0.2mg/L和10μg/L.S2-采用亞甲藍(lán)光度法[16]測定,NO3-采用紫外分光光度法[16]測定,NO2-采用1-萘基乙二胺光度法[16]測定,分光光度計型號為北京普析TU-1900.進(jìn)出水pH、ORP值采用美國HACHQ30D多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定.TOC采用日本島津TOC-LCPN測定.

在HRT為0.75h,反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,分別取自反應(yīng)器底部(高度10cm)、中部(高度20cm)及上部(高度30cm)的3個生物樣品DNA的提取及擴(kuò)增采用已有方法[17].擴(kuò)增后的DNA樣本被送到生工生物工程(上海)股份有限公司進(jìn)行測序,測序平臺為Illumina Miseq 2×300.高質(zhì)量序列去除前后引物以及標(biāo)簽后,利用Mothur軟件對得到的全部序列進(jìn)行比對,去除引物、嵌合體和長度小于200bp的序列,并在97%的相似性水平上計算序列遺傳距離,該矩陣用于確定OTUs.同時基于物種豐富度的分析,使用Mothur軟件計算Alpha多樣性指數(shù)中的豐富度(Chao1指數(shù)、Ace指數(shù))、多樣性指數(shù)(Simpson指數(shù)和Shannon- Wiener多樣性指數(shù))和覆蓋度(Coverage).此外,利用SILVA數(shù)據(jù)庫進(jìn)行16S rDNA基因系列比對,確定序列對應(yīng)微生物的分類學(xué)地位.利用UniFrac程序基于UniFrac距離對3個生物樣品進(jìn)行加權(quán)的主坐標(biāo)分析(Principal coordinate analysis,PCoA)和3D可視分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器對高氯酸鹽的處理效果及其動力學(xué)分析

反應(yīng)器運(yùn)行期間進(jìn)出水ClO4-濃度變化如圖1(a)所示,可以看出,經(jīng)活性污泥接種后,保持HRT為4.0h,反應(yīng)器表現(xiàn)出很好的適應(yīng)能力,掛膜十分迅速,對于進(jìn)水(468.74±6.80)μg/L的ClO4-,出水ClO4-濃度于第4d降低至10μg/L以下,之后運(yùn)行至第80d,始終保持較高的去除率(>97%),即使逐漸調(diào)整水力停留時間由4.00h縮短至0.75h,出水ClO4-濃度沒有出現(xiàn)反彈情況,表明反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊能力.

在HRT分別為1.0和0.75h,反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,于3個不同高度的取樣口分別取樣,測定ClO4-離子濃度沿程變化,結(jié)果如圖1(b)所示.雖然硫自養(yǎng)固定床還原高氯酸鹽的動力學(xué)相關(guān)研究較少,但圍繞硫自養(yǎng)固定床去除硝酸鹽動力學(xué),學(xué)界已開展了大量理論及實(shí)踐研究.許多研究已經(jīng)證實(shí),硫自養(yǎng)固定床反應(yīng)器可以采用主體零級及1/2級反應(yīng)動力學(xué)速率方程來描述基質(zhì)去除的動力學(xué)過程[18-19].

2.1.1 主體零級反應(yīng)動力學(xué) 假定單質(zhì)硫作為底物供應(yīng)充分,且基質(zhì)向生物膜內(nèi)的擴(kuò)散沒有傳質(zhì)限制,有:

=0-0v(2)

2.1.2 1/2級反應(yīng)動力學(xué)當(dāng)主體溶液中基質(zhì)濃度不高,生物膜生長較為成熟,基質(zhì)向生物膜內(nèi)的擴(kuò)散受傳質(zhì)的限制,不能穿過整個生物膜時,有:

=(01/2-1/21/2v)2(3)

式中:0為進(jìn)水ClO4-濃度,μg/L;為接觸時間為時出水的ClO4-濃度,μg/L;ov[μg/(L.h)]和1/21/2v[μg1/2/(L1/2×h)]分別為零級和1/2級反應(yīng)速率常數(shù);為接觸時間h.

本研究采取上述兩模型擬合ClO4-的去除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果列于表1.可以看出,與零級動力學(xué)相比,1/2級動力學(xué)模型擬合具有較高的相關(guān)系數(shù),模型計算出的初始濃度0cal與實(shí)驗(yàn)值0EXP非常接近,表明本反應(yīng)器中,生物膜已經(jīng)生長成熟, ClO4-由溶液主體透過生物膜向硫磺顆粒表面的擴(kuò)散成為限制性步驟.根據(jù)1/2級動力學(xué)模型,當(dāng)1/21/2v為39.59[μg1/2/(L1/2.h)]時,完全去除(468.74±6.80)μg/L的高氯酸鹽,需要至少0.546h的接觸時間,當(dāng)接觸時間過短時,高氯酸鹽將不能被完全去除.

表1 動力學(xué)模型擬合的相關(guān)參數(shù)

需要指出的是,由于配水中同時含有低濃度的硝酸鹽(1.06~1.77mg-N/L,飲用水標(biāo)準(zhǔn)為10 mg-N/L),在本反應(yīng)器中,也同時進(jìn)行著硝酸鹽的硫自養(yǎng)還原反應(yīng),具體方程為[18]:

測定進(jìn)出水硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮,結(jié)果表明,在反應(yīng)器運(yùn)行期間,出水硝酸鹽及亞硝酸鹽氮均低于檢出限,動力學(xué)研究顯示,硝酸鹽及亞硝酸鹽在最低的取樣口(高度為10cm,對應(yīng)接觸時間為0.190h)已檢測不出,這表明,低濃度的硝酸鹽共存對高氯酸鹽的降解基本不產(chǎn)生抑制作用.

2.2 硫酸根的產(chǎn)生趨勢及硫歧化反應(yīng)特征

硫酸根的產(chǎn)生是硫自養(yǎng)生物還原工藝中需要關(guān)注的重要方面.本研究在HRT為1.0h,反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,于3個不同高度的取樣口分別取樣,測定SO42-及S2-離子濃度沿程變化,結(jié)果如圖2(a)所示.可以看出,隨著接觸時間從0.25h延長至1.0h,SO42-濃度呈現(xiàn)持續(xù)增加的態(tài)勢,產(chǎn)生量從74.59mg/L增加至136.06mg/L.產(chǎn)生的SO42-濃度來源主要包括3方面:高氯酸鹽還原、硝酸鹽還原和硫歧化反應(yīng).硫歧化反應(yīng)理論方程為:

4S0+4H2O?3H2S+SO42-+2H+(5)

為衡量各反應(yīng)產(chǎn)生的SO42-濃度的份額,分別按照如下3式分別計算各反應(yīng)所產(chǎn)生的SO42-占總SO42-增量的百分比,并將分析結(jié)果列于圖2(a):

高氯酸鹽還原產(chǎn)生硫酸根占比:

硝酸鹽還原產(chǎn)生硫酸根占比:

硫歧化反應(yīng)產(chǎn)生硫酸根占比:

S歧化=100%-CIO4--NO3--N(8)

其中,各離子濃度單位均為mg/L,式(6)式(7)中,系數(shù)1.29和7.18分別由式(1)和式(4)確定.

可以看出,由于進(jìn)水高氯酸鹽與硝酸鹽濃度均為低濃度,硫自養(yǎng)還原二者產(chǎn)生的SO42-占比很低,硫歧化反應(yīng)則在一開始就非常顯著,當(dāng)接觸時間為0.25h時(第一個取樣口),S歧化達(dá)到89.11%(對應(yīng)SO42-凈增量為66.47mg/L),隨著接觸時間的延長,硫歧化反應(yīng)所產(chǎn)生的SO42-進(jìn)一步增多,至1h時,硫歧化反應(yīng)所產(chǎn)生的SO42-達(dá)到127.78mg/L,S歧化高達(dá)93.91%,即增加的SO42-中有93.91%是由歧化反應(yīng)引起.在硫自養(yǎng)反硝化過程中,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,SO42-的產(chǎn)生與硝酸鹽的去除呈一次正比關(guān)系,并未觀測到過量SO42-產(chǎn)生[18-19].而硫自養(yǎng)還原高氯酸鹽過程則呈現(xiàn)顯著不同趨勢,2007年Ju等[7]通過序批式實(shí)驗(yàn)表明,硫歧化反應(yīng)主要在高氯酸鹽完全去除之后發(fā)生.而本研究表明,在硫自養(yǎng)固定床反應(yīng)器中,硫歧化反應(yīng)與高氯酸鹽的降解同步進(jìn)行,并未在高氯酸完全去除后進(jìn)行,而且歧化反應(yīng)產(chǎn)生的硫酸根在反應(yīng)剛開始(接觸時間0.25h時)占比就十分顯著(S歧化為89.11%).

S2-離子是歧化反應(yīng)的另一主要產(chǎn)物,其濃度在反應(yīng)器中呈現(xiàn)先增大再減少的趨勢,通過監(jiān)測反應(yīng)期內(nèi)各位置ORP值,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器底部和中部ORP分別為-138和-235mV,而在出水口處升高至+35mV,因此推測S2-在出水口處濃度降低的原因是本反應(yīng)器出水口與大氣相通,空氣中的氧氣對S2-有氧化作用,導(dǎo)致S2-離子濃度在出水口降低.

不同HRT條件下,反應(yīng)器出水SO42-增量、份額分配及S2-濃度變化如圖2(b)所示,隨著HRT的延長,出水SO42-增量呈逐漸增加的趨勢,當(dāng)HRT由0.75h延長至4.00h,總SO42-增量由90.07mg/L增加至173.37mg/L(對應(yīng)S歧化為90.75%~93.91%),出水S2-離子濃度保持在較低水平.由S歧化均大于90%可以推測,歧化反應(yīng)是導(dǎo)致SO42-過量增加的主要原因.因此,為控制過量硫酸鹽的生成,在保證去除率的前提下,適當(dāng)縮短HRT可以避免生成過量SO42-.

2.3 進(jìn)出水pH值及堿度消耗情況

硫自養(yǎng)還原過程會消耗溶液堿度,引起溶液pH值的下降,監(jiān)測進(jìn)出水pH值及堿度情況,如圖3所示.可以看出,在反應(yīng)器整個運(yùn)行周期中(80d),反應(yīng)器出水pH值始終低于進(jìn)水.當(dāng)HRT為4.00~1.0h時,總的堿度消耗約為240~280mg/L (以CaCO3計),出水pH值比進(jìn)水低約0.5~1.0.當(dāng)HRT縮短至0.75h時,反應(yīng)體系消耗堿度有所下降,約為180mg/L(以CaCO3計),出水pH有所上升,比進(jìn)水低約0.4.

反應(yīng)體系中堿度的消耗主要來源于3方面,高氯酸鹽的還原,硝酸鹽的還原和硫歧化反應(yīng).根據(jù)污染物濃度,結(jié)合反應(yīng)方程(1)和(4),計算出硫自養(yǎng)還原污染物的理論堿度消耗量為4.77~ 7.55mg/L.而實(shí)際堿度消耗遠(yuǎn)大于該值,表明硫歧化反應(yīng)成為堿度消耗的主要因素,縮短HRT,硫歧化反應(yīng)發(fā)生的程度減弱,導(dǎo)致堿度消耗的下降.

2.4 微生物種群空間分布分析

2.4.1 微生物多樣性分析多樣性反映了一個生態(tài)系統(tǒng)中群落物種豐富度,也被稱為生境內(nèi)多樣性,是研究群落組成及結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容,它的測度方法有多種,包括豐富度指數(shù)(Richness)、香濃指數(shù)(Shannon)、Chao 1、ACE指數(shù)等.其中,豐富度指數(shù)(Richness)用于衡量單個樣品中物種種類個數(shù),實(shí)際通過操作分類單元(OTU)的個數(shù)來計算,香農(nóng)指數(shù)(Shannon)衡量群落的異質(zhì)性; ACE、Chao1指數(shù)主要表示微生物種群豐度[13,17].

表2 樣品α多樣性相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)

采用Miseq 2×300測序平臺對反應(yīng)器不同位置的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,樣品多樣性相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)列于表2中.可以看出,3個樣品測試的原始序列均超過56000條,經(jīng)過質(zhì)控后,有效序列均超過51734條,為便于比較,統(tǒng)一為51000條,該條件下,3個樣本的測序覆蓋度Coverage,即最終得到的測序結(jié)果占整個基因組的比例,分別達(dá)到92.94%,93.84%和95.93%,表明測序覆蓋度已基本反映樣本的真實(shí)情況,樣本中沒有被測出的物種概率較低.隨著高度的增加,反應(yīng)器內(nèi)菌群α多樣性的各指標(biāo),如豐富度指數(shù)(Richness)、香濃指數(shù)(Shannon)、Chao 1、ACE指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,表明反應(yīng)器底部細(xì)菌群落多樣性最高,由下至上,細(xì)菌群落多樣性逐漸降低.

本反應(yīng)器水流方向?yàn)樽韵露?結(jié)合動力學(xué)分析,可以推測,反應(yīng)器底部進(jìn)行的反應(yīng)主要包括污染物的硫自養(yǎng)降解以及硫歧化反應(yīng),對應(yīng)細(xì)菌群落多樣性較高,而到反應(yīng)器中部及上部時,隨著污染物逐漸降解完全,反應(yīng)器內(nèi)開展的反應(yīng)逐漸演替為硫歧化反應(yīng),反應(yīng)類型變得單一,導(dǎo)致細(xì)菌群落多樣性降低.

2.4.2 微生物多樣性分析多樣性分析主要用來度量多組樣品之間的差別,本研究采用加權(quán)重的計算方式,計算不僅評估樣本間物種的差異,而且加入了物種豐度作為權(quán)重.采用PCoA(主成分分析Principal co-ordinates analysis)方法分析反應(yīng)器不同位置3個樣品的多樣性.

計算UniFrac距離結(jié)果如圖4(a)所示,將分析結(jié)果以可視化3D圖形式展現(xiàn),如圖4(b)所示.

可以看出,反應(yīng)器底部和中部的樣品呈現(xiàn)較高的相似度,相似度達(dá)到91.05%,而反應(yīng)器上部的樣品與底部和中部的樣品相比,相似度較低(約為74.65%).該結(jié)果表明,反應(yīng)器內(nèi)不同位置發(fā)生的反應(yīng)不同,對應(yīng)3個樣品β多樣性呈現(xiàn)差異性.結(jié)合動力學(xué)分析結(jié)果,當(dāng)HRT為0.75h時,除了硫歧化反應(yīng)之外,反應(yīng)器底部和中部仍在進(jìn)行著污染物的還原反應(yīng),對應(yīng)高氯酸鹽去除率分別為55.81%和88.81%,兩位置發(fā)生的反應(yīng)類似,因此兩樣品表現(xiàn)出較高的相似度.而在反應(yīng)器上部,高氯酸鹽低于檢出限10μg/L,其去除率已達(dá)到98%以上,污染物的降解反應(yīng)已進(jìn)行的比較徹底,此時該位置主要發(fā)生硫歧化反應(yīng),因此,該位置細(xì)菌種群與底部及中部樣品相比,相似度較低.

2.4.3 特征種群分析 環(huán)境微生物通常以群落的形式存在,其結(jié)構(gòu)特征描述了微生物群落成員的種類、豐度、以及演替情況.反應(yīng)器內(nèi)不同位置微生物群落結(jié)構(gòu)的構(gòu)成對于維護(hù)反應(yīng)器功能非常關(guān)鍵.研究本反應(yīng)器內(nèi)群落結(jié)構(gòu)的空間分布對于認(rèn)識硫自養(yǎng)反應(yīng)微生物生態(tài)學(xué)機(jī)理、優(yōu)化操作條件、提升反應(yīng)裝置的效能具有重要作用.為進(jìn)一步了解反應(yīng)器內(nèi)不同位置微生物群落結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行了不同分類水平的統(tǒng)計分析,分別在門()和屬()的水平上對各樣品中菌群結(jié)構(gòu)開展分析,結(jié)果如圖5所示.

門水平上的群落結(jié)構(gòu)分析顯示,變形門()和綠菌門()構(gòu)成了反應(yīng)體系的優(yōu)勢菌群,變形門()菌群豐度沿反應(yīng)器內(nèi)高度的增加呈減少趨勢,而綠菌門()呈增加趨勢.變形門()是細(xì)菌中最大的一門,也是活性污泥中常見的優(yōu)勢菌門[13,17].綠菌門()細(xì)菌主要利用硫化物、硫單質(zhì)作為電子供體,氧化產(chǎn)物為硫酸鹽.

屬()水平上的分析結(jié)果能提供更深入更全面的菌落結(jié)構(gòu)信息.菌屬為反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢菌屬,沿反應(yīng)器內(nèi)高度的增加呈持續(xù)增大的趨勢,在反應(yīng)器底部、中部和上部的豐度分別為33.07%、50.39%和82.69%.2011年Rodrigue等研究發(fā)現(xiàn)綠硫菌可以氧化硫化物和硫單質(zhì),生成終產(chǎn)物硫酸鹽[20].結(jié)合硫歧化反應(yīng)的發(fā)生趨勢(圖2),在反應(yīng)器底部歧化反應(yīng)已經(jīng)十分顯著,產(chǎn)生了過量的硫酸鹽,沿著反應(yīng)器高度的增加,接觸時間延長,歧化反應(yīng)愈加顯著,與菌屬豐度趨勢相一致,因此,判斷菌屬為歧化反應(yīng)菌屬.

菌屬豐度在反應(yīng)器底部為1.51%,至反應(yīng)器中部下降至0.24%,反應(yīng)器上部為0.14%.根據(jù)已有報道,菌屬為硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌[21],鑒于高氯酸鹽和硝酸鹽性質(zhì)類似,許多細(xì)菌都能對二者去除[10],可以推測菌屬在本反應(yīng)器中為高氯酸鹽及硝酸鹽硫自養(yǎng)還原菌.由于硫歧化反應(yīng)始終伴隨著污染物的降解,在反應(yīng)器底部即進(jìn)行得十分充分,成為反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng),同時,污染物濃度較低,污染物的降解僅主要在反應(yīng)器底部和中部進(jìn)行,導(dǎo)致菌屬豐度不高.其余菌屬如和等豐度均在較低水平,功能仍有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論:

3.1 升流式硫自養(yǎng)固定床反應(yīng)器對水中的低濃度高氯酸鹽[(468.74±6.80) μg/L]具有較好的降解效果,逐漸調(diào)整水力停留時間由4.0h縮短至0.75h,反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,去除率較高(>97%),高氯酸鹽降解符合1/2級反應(yīng)動力學(xué)模型,高氯酸鹽由溶液主體向生物膜內(nèi)的擴(kuò)散為主要限速步驟.

3.2 硫歧化反應(yīng)與高氯酸鹽的降解同步進(jìn)行,歧化反應(yīng)產(chǎn)生的硫酸根占比十分顯著,為控制過量硫酸鹽的生成,在保證去除率的前提下,適當(dāng)縮短HRT可以避免生成過量硫酸鹽.同時,硫歧化反應(yīng)是堿度過量消耗的主要因素,堿度消耗高于理論值,造成出水pH值的降低.

3.3 反應(yīng)期內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)空間分布呈現(xiàn)規(guī)律性,反應(yīng)器底部細(xì)菌群落多樣性最高,由下至上,細(xì)菌群落多樣性逐漸降低;多樣性分析結(jié)果表明反應(yīng)器底部和中部樣品表現(xiàn)出較高的相似度,達(dá)到91.05%,而反應(yīng)器上部樣品與之相比,相似度較低(約為74.65%).

3.4 菌群組成結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明,為硫自養(yǎng)還原菌,菌屬為歧化反應(yīng)菌屬.

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Bio-reduction of perchlorate with low concentration in water by sulfur packed reactor and microbial community spacial distribution analysis.

LIU Yong-de1, WANG Yi-yi1, WAN Dong-jin1*, XIAO Shu-hu2

(1.School of Chemical Engineering and Environment, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2017,37(8)：3142~3150

Removal of perchlorate with low concentration [(468.74±6.80)μg/L] in water was investigated by an up-flow sulfur autotrophic reduction reactor. And bacterial community spatial distribution was analyzed by High-throughput sequencing method. The reactor could be operated at a hydraulic retention time (HRT) ranging in 4.00 ~ 0.75h with a remarkable removal efficiency greater than 97%. 1/2-order kinetics model fit the experimental data well; and 1/21/2vwas 39.59 [μg1/2/(L1/2×h)]. When HRT shortened from 4.00h to 0.75h, the generated SO42-decreased from 173.37 to 90.07mg/L. Sulfur (S) disproportionation was accompanied with perchlorate reduction; the proportion of SO42-generated by S-disproportionation was in range of 90.75%~93.91%. Meanwhile, S-disproportionation was the main reason for excess consumption of alkalinity, thus leading to pH decreases in effluent. The sequencing results showed that the α-biodiversity was decreased along the height of reactor. Theandwas observed as the major bacteria, and thewas the dominant bacteria associated with S-disproportionation.

perchlorate；sulfur autotrophic；kinetics；S-disproportionation；High-throughput sequencing；bacterial community

X52

A

1000-6923(2017)08-3142-09

劉永德(1973-),男,河南漯河人,工學(xué)博士,副教授,主要從事環(huán)境生物技術(shù)和固廢資源化研究工作.發(fā)表論文20余篇.

2016-11-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208179,20277134);鄭州市重大科技專項(xiàng)(141PZDZX045);天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(TJKLAST-ZD-2016-03)

* 責(zé)任作者, 副教授, dongjinwan@yeah.net