脈沖電場對(duì)好氧反硝化細(xì)菌生長代謝的影響

王 凡, 胡筱敏, 李雪潔, 張 博

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

硝酸鹽是各行業(yè)產(chǎn)生的含氮廢水中氮污染物的主要存在形式之一.近年來,由于過量的硝酸鹽對(duì)人類和生態(tài)環(huán)境造成的不利影響,硝酸鹽污染已成為一個(gè)全球性的環(huán)境問題,世界各國對(duì)硝酸鹽廢水的排放實(shí)施了更為嚴(yán)格的監(jiān)管[1].同時(shí),研究人員也致力于開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的硝酸鹽廢水處理方法,以減少硝酸鹽污染帶來的潛在危害[2-3].好氧反硝化是一種新型的硝酸鹽去除技術(shù),好氧反硝化菌的發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)反硝化只能在厭氧或缺氧條件下進(jìn)行的理論.與傳統(tǒng)生物反硝化不同,好氧反硝化菌能夠在有氧條件下同時(shí)利用氧氣和硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行反硝化,這使硝化和反硝化過程得以在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成,有效降低了處理成本和操作復(fù)雜性[4].近年來,好氧反硝化技術(shù)基于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸成為硝酸鹽廢水去除領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),研究人員針對(duì)好氧反硝化菌的篩選分離、生長因子的影響、關(guān)鍵酶和功能基因的表達(dá)等方面開展了一系列系統(tǒng)的研究[5].然而,在好氧反硝化研究取得諸多進(jìn)展的同時(shí),也暴露出一些問題.目前報(bào)道的好氧反硝化技術(shù)的應(yīng)用通常是采用向廢水或活性污泥中直接投加一定比例好氧反硝化菌的方式進(jìn)行的.但在實(shí)際處理過程中,由于生長條件的制約以及微生物種群之間的競爭,好氧反硝化菌的生長受到限制,繁殖能力下降,往往難以成為優(yōu)勢(shì)菌群.同時(shí),在高濃度硝酸鹽廢水的處理過程中,隨著亞硝酸鹽積累量的增加,反硝化進(jìn)程受到一定程度的抑制,這直接導(dǎo)致了好氧反硝化菌生長時(shí)間的延長以及硝酸鹽去除能力的下降,難以滿足高濃度硝酸鹽廢水處理的長期需求[6].因此,開發(fā)高效的好氧反硝化強(qiáng)化技術(shù),充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和潛力,具有一定的研究意義和價(jià)值.

近年來,耦合了生物法和電化學(xué)法優(yōu)點(diǎn)的生物電化學(xué)強(qiáng)化技術(shù)受到越來越多研究者的關(guān)注.在低強(qiáng)度的電場作用下,微生物的酶活性、營養(yǎng)物質(zhì)利用率以及體系內(nèi)污染物的降解能力均有不同程度的提升[7].作者課題組一直致力于電場強(qiáng)化生物脫氮相關(guān)技術(shù)的開發(fā),并取得了一定的研究進(jìn)展[8].之前的研究已經(jīng)證實(shí),采用周期換向電絮凝強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行生物脫氮,對(duì)硝化和反硝化過程均有顯著的促進(jìn)作用.機(jī)理研究表明,電絮凝強(qiáng)化后脫氮性能的提升主要是微生物作用,即電場更多地作用于系統(tǒng)內(nèi)的微生物,通過刺激微生物的生長代謝間接影響系統(tǒng)的脫氮性能[9-10].使用周期換向直流電場在節(jié)約能耗的同時(shí),一定程度上減少了極板的鈍化,但因其試驗(yàn)裝置較為復(fù)雜,可操作性較低.與之相比,脈沖電場因其周期性的通斷電特性,且操作簡單、能耗低,具有更明顯的優(yōu)勢(shì).

脈沖電場能夠誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生不同的應(yīng)激反應(yīng)[11].根據(jù)施加的電場強(qiáng)度及其時(shí)間函數(shù)的不同,脈沖電場會(huì)誘導(dǎo)微生物在細(xì)胞膜上產(chǎn)生跨膜電壓,細(xì)胞膜表面出現(xiàn)瞬時(shí)或永久性孔隙,分別導(dǎo)致可逆或不可逆電穿孔現(xiàn)象的發(fā)生.當(dāng)電場強(qiáng)度較高時(shí),微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞,不可逆電穿孔的出現(xiàn)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)成分泄露,微生物被滅活.基于這一作用原理,脈沖電場被廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域[12],例如果汁、奶制品等液體食品的非熱巴氏殺菌以及蔬菜、肉類等固體食品的加工保鮮,并逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化階段發(fā)展[13-14].隨著研究的深入,研究人員發(fā)現(xiàn)脈沖電場對(duì)微生物的致死效應(yīng)不再是一個(gè)“全有或全無”的過程[15].當(dāng)對(duì)微生物施加低強(qiáng)度的脈沖電場時(shí),由于細(xì)胞膜上可逆電穿孔的出現(xiàn),微生物可能處于亞致死狀態(tài),在此狀態(tài)下的微生物更容易受到刺激而不是被滅活[16].近年來,脈沖電場刺激微生物的研究主要集中在脈沖電場輔助發(fā)酵領(lǐng)域[17].作者課題組之前的研究首次將脈沖電場應(yīng)用于強(qiáng)化生物脫氮領(lǐng)域,并取得了積極的成果[18].研究結(jié)果表明,脈沖電場能夠有效提高厭氧氨氧化細(xì)菌活性,縮短厭氧氨氧化反應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間.研究證實(shí),脈沖電場對(duì)厭氧氨氧化過程的強(qiáng)化同樣是基于電場作用下微生物自身生長速度和代謝能力的提升.

因此,本研究以好氧反硝化技術(shù)的主體微生物——好氧反硝化細(xì)菌為主要研究對(duì)象,探究了脈沖電場對(duì)好氧反硝化細(xì)菌生長代謝的影響.通過試驗(yàn),確定了脈沖電場強(qiáng)化好氧反硝化技術(shù)穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)工藝參數(shù),為后續(xù)脈沖電場強(qiáng)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持.

1 材料與方法

1.1 菌種來源

1.2 試驗(yàn)用水

本研究分別以琥珀酸鈉為唯一碳源、硝酸鉀為唯一氮源,配制高濃度模擬硝酸鹽廢水作為試驗(yàn)用水,其主要成分(質(zhì)量濃度)為:KNO32.0 g·L-1,C4H4Na2O47.5 g·L-1,K2HPO41.0 g·L-1,KH2PO41.0 g·L-1,MgSO4·7H2O 0.2 g·L-1.微量元素為2.0 mL·L-1,調(diào)節(jié)初始pH至7.2,并于121 ℃條件下高壓滅菌20 min后備用.

1.3 脈沖電場處理系統(tǒng)

脈沖電場處理系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示.脈沖電場處理室由有機(jī)玻璃制成,有效容積為200 mL,處理室內(nèi)放置一對(duì)石墨電極.將經(jīng)活化后處于對(duì)數(shù)生長期的好氧反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaW207-14以一定接種量(體積分?jǐn)?shù))投加至處理室內(nèi),在初始pH為7.2,溫度為30 ℃,轉(zhuǎn)速為160 r/min的條件下,使用提供方波脈沖的脈沖電源進(jìn)行脈沖電場處理研究.試驗(yàn)過程中,對(duì)溫度、pH和電導(dǎo)率等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測.

圖1 脈沖電場處理系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed electric field treatment system

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖電場強(qiáng)度對(duì)好氧反硝化細(xì)菌生長代謝的影響

本研究在初始pH為7.2,溫度為30 ℃,轉(zhuǎn)速為160 r/min,脈沖頻率為1 000 Hz,極板間距為6 cm,接種量為7.5%的試驗(yàn)條件下,探究了不同脈沖電場強(qiáng)度下好氧反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaW207-14生長代謝的變化情況,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 脈沖電場強(qiáng)度對(duì)Pseudomonas putida W207-14生長代謝的影響Fig.2 Effect of PEF strength on growth metabolism of Pseudomonas putida W207-14

2.2 脈沖頻率對(duì)好氧反硝化細(xì)菌生長代謝的影響

本研究在初始pH為7.2,溫度為30 ℃,轉(zhuǎn)速為160 r/min,脈沖電場強(qiáng)度為0.8 V·cm-1,極板間距為6 cm,接種量為7.5%的試驗(yàn)條件下,探究了不同脈沖頻率下好氧反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaW207-14生長代謝的變化情況,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 脈沖頻率對(duì)Pseudomonas putida W207-14生長代謝的影響

2.3 極板間距對(duì)好氧反硝化細(xì)菌生長代謝的影響

本研究在初始pH為7.2,溫度為30 ℃,轉(zhuǎn)速為160 r/min,脈沖電場強(qiáng)度為0.8 V·cm-1,脈沖頻率為1 000 Hz,接種量為7.5%的試驗(yàn)條件下,探究了不同極板間距下好氧反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaW207-14生長代謝的變化情況,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 極板間距對(duì)Pseudomonas putida W207-14 生長代謝的影響Fig.3 Effect of electrode distance on growth metabolism of Pseudomonas putida W207-14

2.4 接種量對(duì)好氧反硝化細(xì)菌生長代謝的影響

本研究在初始pH為7.2,溫度為30 ℃,轉(zhuǎn)速為160 r/min,脈沖電場強(qiáng)度為0.8 V·cm-1,脈沖頻率為1 000 Hz,極板間距為5 cm的試驗(yàn)條件下,探究了不同接種量下好氧反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaW207-14生長代謝的變化情況,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 接種量對(duì)Pseudomonas putida W207-14生長代謝的影響

2.5 脈沖電場作用下好氧反硝化細(xì)菌的生長代謝過程

圖4 PEF作用下Pseudomonas putida W207-14 的生長和碳代謝過程Fig.4 Growth and carbon metabolism of Pseudomonas putida W207-14 treated with PEF

圖5 PEF作用下Pseudomonas putida W207-14的 氮代謝過程Fig.5 Nitrogen metabolism of Pseudomonas putida W207-14 treated with PEF

3 結(jié) 論

2) 脈沖電場對(duì)好氧反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaW207-14的生長有顯著的刺激作用.經(jīng)脈沖電場處理的好氧反硝化細(xì)菌僅24 h其OD600即可達(dá)到最大值,與未處理的好氧反硝化細(xì)菌相比,生長時(shí)間大幅縮短.

3) 脈沖電場對(duì)好氧反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaW207-14的硝酸鹽去除速率提升顯著.經(jīng)脈沖電場處理的好氧反硝化細(xì)菌的硝酸鹽去除速率為7.53 mg·L-1·h-1,與未處理的好氧反硝化細(xì)菌相比,其硝酸鹽去除速率提高了115.76%.