高品質(zhì)生物流化床填料MBBR廠家藻生物膜減少微生物源溶解性有機(jī)氮的排放

　　高品質(zhì)生物流化床填料MBBR生產(chǎn)廠家藻生物膜減少微生物源溶解性有機(jī)氮的排放。

　　成果簡介

　　本文揭示了藻生物膜在水處理過程中減少微生物源有機(jī)氮的潛力和機(jī)制，推動了藻生物膜工藝在水處理領(lǐng)域的發(fā)展。

　　全文速覽微生物源溶解性有機(jī)氮(mDON)的排放容易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和有害水華的發(fā)生，所以亟需在污水處理過程中限制其產(chǎn)生和排放。近年來，新興的藻生物膜工藝因其高效的營養(yǎng)物(氮、磷等)去除效率廣受關(guān)注，但其是否能應(yīng)用于mDON的控制尚不清楚。

　　本研究以傳統(tǒng)活性污泥工藝作為比較基準(zhǔn)，評價了藻生物膜在處理市政污水過程中mDON的產(chǎn)生和利用效果，并利用高分辨率質(zhì)譜(傅里葉回旋共振質(zhì)譜)和宏基因組學(xué)技術(shù)解析了mDON的分子特征及mDON在藻生物膜中的產(chǎn)生和利用機(jī)制。當(dāng)進(jìn)水為不含DON的模擬市政污水時，藻生物膜的mDON產(chǎn)生量比活性污泥少83%。

　　當(dāng)進(jìn)水為活性污泥出水(藻生物膜相當(dāng)于三級處理工藝的情況)，藻生物膜消耗了至少72%的外源mDON并主要減少了蛋白質(zhì)和氨基糖類物質(zhì)。在上述兩類進(jìn)水條件下，藻生物膜最終都產(chǎn)生了更多樣化的氫碳化合物和單寧類似物。

　　RDA和網(wǎng)絡(luò)分析強(qiáng)調(diào)了菌藻相互作用(如互養(yǎng)共棲)在減少mDON排放及減弱其生物有效性中的作用。此外，基于宏基因組學(xué)的代謝重構(gòu)表明藻生物膜中的藍(lán)藻Limnothrix和Kamptonema促進(jìn)了mDON的吸收、氨化和重復(fù)利用以滿足共生體系對氨基酸、維他命和輔因子生物合成的強(qiáng)烈氮同化需求并因此推動了mDON的消耗。

　　本文證實了藍(lán)藻主導(dǎo)的藻生物膜工藝無論是作為二級工藝還是三級工藝均能夠有效減少生物可利用的mDON排放，為將來建立有效的富營養(yǎng)化控制手段提供了啟示。

　　引言

　　目前大部分污水處理廠(尤其那些采用了生物強(qiáng)化營養(yǎng)去除工藝的污水處理廠)能有效地去除溶解的無機(jī)氮(DIN)，而溶解的有機(jī)氮(DON)已成為出水殘留氮中不可忽略的部分(25–95%)。

　　微生物來源的DON(即mDON)構(gòu)成了傳統(tǒng)活性污泥(AS)工藝中廢水DON的主要部分。這些mDON物質(zhì)，例如氨基酸，是消毒副產(chǎn)物的前體物質(zhì)。

　　更重要的是，活性污泥產(chǎn)生的mDON具有很高的生物利用度，可促進(jìn)藻類的生長，但這些mDON對基于活性污泥法的工藝中難以去除。

　　因此，開發(fā)基于非活性污泥的 mDON控制技術(shù)對于減輕DON污染具有實際意義，有利于進(jìn)一步減少氮排放并最終減輕水生環(huán)境中的富營養(yǎng)化。

　　藻類生物膜(AB)是真核藻類或藍(lán)細(xì)菌為主的附著式生長共生體系，包括各種自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物。

　　近年來，由于其去除營養(yǎng)的潛力，引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注并聚焦在污染物的生物修復(fù)，和生物產(chǎn)品(例如生物燃料)的制造方面。

　　與傳統(tǒng)的基于活性污泥的硝化反硝化工藝相比，AB具有許多實際優(yōu)勢，包括高養(yǎng)分利用率和低能耗。因此在未來嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)下，AB有望替代活性污泥工藝。

　　此外，AB可以用作三級處理工藝或側(cè)流處理工藝作為現(xiàn)有污水處理廠氮強(qiáng)化去除的升級方案。但是，AB的當(dāng)前應(yīng)用仍然集中在去除DIN上，而對其性能和DON去除的效果和特性了解甚少。

　　有機(jī)質(zhì)是藻類和光養(yǎng)群落的重要的碳和營養(yǎng)來源。最近的研究實驗表明，Chlamydomonas reinhardtii純培養(yǎng)和Selenastrum capricornutum和細(xì)菌共生體可以利用DON生長。然而目前關(guān)于藻-細(xì)菌共生形成和利用mDON知之甚少。

　　此外，盡管已經(jīng)研究了AB的微生物結(jié)構(gòu)，但其代謝特性，尤其是涉及含氮有機(jī)物代謝的代謝特性，仍未得到充分研究。

　　傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FTICR-MS)已被廣泛用于溶解有機(jī)物的分子表征。結(jié)合高通量測序技術(shù)，能夠建立mDON的分子組成，微生物群落及功能三者的關(guān)系。生物信息學(xué)算法的進(jìn)展能夠基于草圖基因組(MAG)進(jìn)行精確的代謝重建，從而使得確定單個微生物在mDON代謝中的特異性作用成為可能。

　　圖文導(dǎo)讀

　　出水mDON

　　Figure 1. Nitrogen removal performance of reactors. (a) Effluent concentration of total dissolved nitrogen (TDN). (b) Effluent concentration of microbe-derived dissolved organic nitrogen (mDON). The letters above the boxplots indicate the significance of variances estimated from the Tukey HSD test at the confident level of adjusted p-value <0.05. The reactors with the same letter were not significantly different from each other concerning the mean value. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　在總氮去除方面，AB1反應(yīng)器的性能優(yōu)于AS反應(yīng)器(圖1a)，出水總氮濃度(1.87±0.26 mg·L–1)顯著低于AS反應(yīng)器(6.06±0.71 m·L–1)。鑒于合成廢水中不存在DON，AB1和AS反應(yīng)器的所有DON均為mDON。

　　相比AS產(chǎn)生的mDON的濃度(1.20±0.36 mg·L-1，圖1b)，藻生物膜反應(yīng)器組AB1產(chǎn)生的mDON濃度要低得多(0.21±0.16 mg·L–1)。這一濃度水平也遠(yuǎn)低于富營養(yǎng)化湖泊中報告的濃度(0.53–1.16 mg·L–1)。

　　表明AB具有減輕廢水處理產(chǎn)生的富營養(yǎng)化風(fēng)險的潛力。藻生物膜反應(yīng)器組AB2的進(jìn)水是AS的出水，以測試AB是否可以利用AS產(chǎn)生的mDON。結(jié)果表明，AB2使DON濃度降低了72.3%，所得濃度與AB1產(chǎn)生的濃度相似(圖1b)。

　　mDON組成

　　Figure 2. Van Krevelen diagrams compare (a) nitrogenous compounds produced by algae biofilm (AB) and activated sludge (AS) when feeding with synthetic wastewater, and (b) AS-derived nitrogenous compounds before and after the treatment by AB. Larger dots indicate the stably present formulae while smaller dots indicate the stochastically present formulae. The types of molecules include (1) lipids, (2) proteins/amino sugars, (3) carbohydrates, (4) unsaturated hydrocarbons, (5) lignin, (6) tannins, and (7) condensed aromatics. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　FTICR-MS用于表征mDON的分子組成(圖2)。盡管AB1產(chǎn)生的mDON濃度較低，但AB1(800個分子式)的mDON化學(xué)多樣性與AS(749個分子式)相當(dāng)。

　　但是，AB1和AS一致產(chǎn)生的mDON分子只占總量的10.5%。AB1和AS中分別存在311個(38.9%)和229個(30.6%)穩(wěn)定產(chǎn)生的mDON分子(圖2a)。

　　AS產(chǎn)生了更多的富含氮的碳水化合物和蛋白質(zhì)/氨基糖類似物，這些化合物導(dǎo)致了AS產(chǎn)生的mDON的高生物利用度(MLBL=49.8%)，將會導(dǎo)致富營養(yǎng)化。相反，AB1產(chǎn)生更多的難降解的木質(zhì)素和不飽和烴類似物，其生物利用度低得多(MLBL=22.2%)。

　　根據(jù)FTICR-MS分析(圖2b)，AB2消耗了大量AS產(chǎn)生的蛋白質(zhì)/氨基糖和碳水化合物樣類似物，并大量產(chǎn)生了木質(zhì)素和不飽和烴樣DON。

　　所得的DON組成與AB1的更相似，這表明AB可以以某種方式將外源mDON轉(zhuǎn)化為AB特有的mDON。

　　由于篇幅和版權(quán)關(guān)系此處省略圖3和圖4(主要論證微生物組成對mDON形成的關(guān)系)。

　　機(jī)理探究

　　Figure 5. Comparisons of nitrogen acquisition and metabolism (KEGG pathway map00910) between the algae biofilm (AB) and activated sludge (AS). The colors of the bar plots indicate the hosts of corresponding functional genes at the phylum level. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　藍(lán)細(xì)菌Limnothrix增強(qiáng)了AB1中的氮同化作用。AB1中氨氮(amt)和硝酸鹽氮(nrtABC)轉(zhuǎn)運蛋白基因的相對豐度比AS中的相對豐度高2.9-6.6倍。

　　同時，氨通過硝酸鹽/亞硝酸鹽的還原反應(yīng)(narB和nirA)轉(zhuǎn)化而來，這表明藻類對氨氮的需求量很大。相反，由于不存在氨單加氧酶(amoABC)，通過硝化作用損失氨氮的可能性較小。與增加的氨氮吸收相一致，藍(lán)細(xì)菌主導(dǎo)的谷氨酸合成酶(GLU)的相對豐度提高了3.4倍。促進(jìn)的谷氨酸合成可以最終促進(jìn)微生物的生長，這與藍(lán)細(xì)菌的生長優(yōu)勢是一致的(圖3c)。

　　盡管如此，AB1中以變形菌主導(dǎo)的谷氨酰胺(glnA)和谷氨酸(gltBD)的合成潛力仍與AS中的相當(dāng)。我們推測氮是在生物膜內(nèi)循環(huán)的，因為已證明異養(yǎng)細(xì)菌能夠受益于藍(lán)細(xì)菌的交叉供養(yǎng)而維持其增殖。因此，mDON的排放至水體的量受到了限制。

　　AB2中DIN同化潛力的增加低于AB1。這是因為以AB1為主的Limnothrix具有三拷貝的轉(zhuǎn)運蛋白基因，而AB2中主導(dǎo)的Kamptonema和Phormidium僅具有雙拷貝。Limnothrix在DIN吸收方面的優(yōu)勢使其在富含氨氮的廢水中占主導(dǎo)地位。

　　但是，在富含DON但缺乏氨氮的條件下，Kamptonema可以增強(qiáng)羥胺還原(hcp)，甲酰胺水解(amiF)和固氮(nifDKH)以獲得氨。增強(qiáng)的氨化潛力在一定程度上表明了AB2能夠利用AS產(chǎn)生的mDON。

　　至于有機(jī)氮(基于TCDB數(shù)據(jù)庫)的跨膜轉(zhuǎn)運，只有AB1比AS的基因豐度稍高23%。但是AB2中有許多與氨基酸攝取有關(guān)的基因有很高的豐度。

　　例如，yhdWXYZ和FraCD基因的相對豐度分別比AS中的相對豐度分別高57和15倍。這可能有助于AB2對蛋白質(zhì)/氨基糖類mDON的消耗(圖2b)。

　　此外，高親和力的尿素轉(zhuǎn)運蛋白(urtABCDE)和多胺吸收系統(tǒng)(potABD)只在AB中檢測到。AB可能通過重新吸收尿素和多胺(兩種常見的含氮代謝物)來加速氮循環(huán)，從而減少了相關(guān)的mDON排放。

　　Figure 6. Comparisons of nitrogenous organic matter metabolic potentials between metagenome-assembled genomes in algae biofilm (AB) and activated sludge (AS). (a) Nonmetric multidimensional scaling analysis (NMDS) displays the overall variability. (b) Number of unique and shared KEGG Modules. (c) Similarity percentages analysis displays the enrichment of KEGG Modules driving the functional dissimilarities. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　在AB和AS之間，DON代謝功能譜圖有顯著差異(圖6a)。但是，AB1和AB2之間沒有觀察到顯著差異，這表明盡管AB1和AB2中的微生物群落有所不同(圖3)，但它們在含氮物質(zhì)代謝方面的功能潛力卻是相似的。

　　這種現(xiàn)象支持了AB微生物群在DON代謝中的高功能冗余性。圖6b分別列舉了AB和AS中涉及氮物質(zhì)代謝的134個和137個KEGG模塊。它們中的大多數(shù)由AB和AS微生物群落共享，而分別只有六個和九個KEGG模塊分別隸屬于AB和AS。為了進(jìn)一步探索AB與AS不同的功能，進(jìn)行了SIMPER分析(圖6c)。值得注意的是，所有顯著不同的模塊在AB中的豐度都比在AS中更高。

　　這表明AB在氮有機(jī)物代謝方面具有壓倒性的遺傳投資優(yōu)勢，尤其是輔助因子，維生素和氨基酸的生物合成和代謝。為了維持這些生物合成活動的氮需求，AB菌群必須保持大量的氮供應(yīng)。這可能是AB必須通過回收利用mDON的原因。

　　小結(jié)

　　我們的發(fā)現(xiàn)表明藻生物膜不僅可以顯著減少mDON的形成還可以有效地消耗AS產(chǎn)生的mDON。

　　此外，通過增加對生物可利用度高的mDON(即類似蛋白質(zhì)/氨基糖和碳水化合物的mDON)的吸收，氨化和回收利用，AB菌群最終使排放的mDON的可生物利用度降低，從而有效減小由mDON引起的富營養(yǎng)化風(fēng)險。藍(lán)細(xì)菌而非真核藻在AB中占主導(dǎo)地位，并且在減少mDON排放和生物利用度中起主要作用。

　　藍(lán)藻主導(dǎo)的比真核微藻主導(dǎo)的AB更適合于廢水DON的控制，特別是對于處理低C / N比廢水有很大優(yōu)勢。

　　此外，藍(lán)細(xì)菌的相對豐度與mDON的減少呈正相關(guān)(見原文)。增加藍(lán)細(xì)菌的豐度或增強(qiáng)藍(lán)細(xì)菌的活性可能會進(jìn)一步減少mDON排放。然而，這項研究強(qiáng)調(diào)了藍(lán)細(xì)菌和其他細(xì)菌在最小化mDON排放方面的協(xié)同作用。

　　藻類和細(xì)菌之間的相互交叉進(jìn)給加速了藻-細(xì)菌群落中的養(yǎng)分利用，反之亦然。這些種間相互作用促進(jìn)了mDON的回收和mDON的清除。

　　因此，建立支持藻類生長的共生細(xì)菌群落也很重要。在實際廢水處理中，進(jìn)水中可生物降解的mDON和惰性DON化合物往往同時存在。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基于藻類的技術(shù)可以有效降解傳統(tǒng)AS工藝中對生物降解呈惰性的微污染物(例如藥物)。

　　耦合高度生物多樣性和廣泛存在的藻-細(xì)菌協(xié)同相互作用，AB為難降解的DON降解提供了額外的降解途徑。在廣泛的氮需求的驅(qū)動下，AB可以迅速消耗惰性DON降解產(chǎn)生的生物可利用的中間體，特別是在反應(yīng)時間允許的情況下。所以將來有必要研究處理實際廢水DON下AB的效果。

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