环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (5): 765-774  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.01.79

引用本文  

黄郑郑, 曹刚, 陈海升, 等. 异养硝化-好氧反硝化菌协同竞争对脱氮特性的影响[J]. 环境科学研究, 2017, 30(5): 765-774.
HUANG Zhengzheng, CAO Gang, CHEN Haisheng, et al. Synergy and Competition for Nitrogen Removal by Heterotrophic Nitrification-Aerobic Denitrification Bacteria[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(5): 765-774.

基金项目

国家基金委-广东省政府联合基金重点项目(U1501233);广东省基金研究团队项目(2016A030312009);广东省环境污染控制与修复材料工程技术研究中心建设项目(2015B090903070)

责任作者

曹刚(1972-), 男, 广东广州人, 副教授, 博士, 主要从事污水生物处理技术研究, cao_g@163.com

作者简介

黄郑郑(1991-), 男, 河南洛阳人, 18813753994@163.com

文章历史

收稿日期:2016-08-29
修订日期:2016-12-28
异养硝化-好氧反硝化菌协同竞争对脱氮特性的影响
黄郑郑1 , 曹刚1,2 , 陈海升1 , 李紫惠1 , 莫测辉1,2     
1. 暨南大学环境学院, 广东 广州 510630;
2. 广东省污染控制与修复材料工程技术中心, 广东 广州 510630
摘要:为了探讨在脱氮过程中异养硝化-好氧反硝化菌类之间的协同和竞争作用,以A2/O工艺好氧污泥中筛出的三株异养硝化-好氧反硝化菌——XH02、XH03和FX03为研究对象,经16S rDNA基因序列系统发育分析,鉴定XH02为人苍白杆菌(Ochrobactrum sp.),XH03和FX03为假单胞菌(Pseudomonas sp.).在此基础上,分别考察了单菌株和复合菌株(XH02+XH03、XH02+FX03、XH03+FX03和XH02+XH03+FX03) 在异养硝化和好氧反硝化条件下的脱氮特性.结果表明:菌株XH02和XH03具有高效脱氮特性,在异养硝化过程中,第24小时对NH4+-N的去除率分别为90.2%和89.5%;在好氧反硝化过程中,二者在第24小时对NO3--N的去除率分别为91.8%和94.0%.复合菌株XH02+XH03无论在异养硝化还是好氧反硝化过程中,均能相互协同,促进生长,进一步提高了脱氮效率,在第24小时对NH4+-N和NO3--N的去除率分别达到97.1%和96.7%.在硝化和反硝化过程中,菌株FX03对XH02、XH03均存在着竞争关系,FX03的存在会抑制菌株XH02和XH03的生长,显著降低脱氮效率.研究显示,异养硝化-好氧反硝化菌XH02和XH03之间的协同作用可以强化废水生物处理,提高脱氮效率.
关键词复合菌株    异养硝化-好氧反硝化    脱氮特性    协同竞争    混合培养    
Synergy and Competition for Nitrogen Removal by Heterotrophic Nitrification-Aerobic Denitrification Bacteria
HUANG Zhengzheng1 , CAO Gang1,2 , CHEN Haisheng1 , LI Zihui1 , MO Cehui1,2     
1. School of Environment, Jinan University, Guangzhou 510630, China;
2. Guangdong Engineering Center for Environment Contamination Control and Restorative Materials, Guangzhou 510630, China
Abstract: To investigate the effects of synergy and competition by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification bacteria on nitrogen removal, the XH02, XH03 and FX03 were isolated from aerobic sludge in A2/O process. They were identified as Ochrobactrum sp., Pseudomonas sp. and Pseudomonas sp. on the basis of phylogenetic analysis of 16S rDNA gene sequence, respectively. Further heterotrophic nitrification and aerobic denitrification analysis were revealed for single and compound strains of XH02+XH03, XH02+FX03, XH03+FX03 and XH02+XH03+FX03. The results showed that XH02 and XH03 exhibited highly efficient denitrification capability. The ammonia removal efficiencies for XH02 and XH03 were 90.2% and 89.5% after 24 hours in the process of heterotrophic nitrification, respectively. The nitrate removal efficiencies were 91.8% and 94.0% after 24 hours during the denitrification, respectively. XH02 and XH03 were able to cooperatively promote growth with each other, and improved nitrogen removal efficiency in the process of nitrification and denitrification. The ammonia and nitrate removals for XH02+XH03 reached 97.1% and 96.7% after 24 hours, respectively. The strain FX03 had a competitive relationship with XH02 and XH03, which inhibited their growth and significantly reduced nitrogen removal efficiency through nitrification and denitrification. The results show that XH02+XH03, which has a positive synergy with each other, has a potential application in wastewater treatment for nitrogen removal under aerobic conditions.
Keywords: compound strains    heterotrophic nitrification-aerobic denitrification    denitrification characteristics    synergy and competition    mixed culture    

随着经济的快速发展,水体中氮素污染呈逐渐加重趋势.生物脱氮技术因具有简单高效且成本低廉等特点而日益受到关注[1].在脱氮菌中异养硝化-好氧反硝化菌由于可在同一个空间内进行硝化和反硝化成为研究热点.异养硝化菌在降解有机底物的同时可将NH4+-N转化为NH2OH、NO2--N和NO3--N[2];好氧反硝化菌在有氧环境中可把NO3--N或NO2--N作为电子受体进行呼吸作用[3],这打破了传统反硝化作用只能在厌氧条件下进行的观点,好氧反硝化使得同步脱氮体系的构建成为可能[4-5].近年来,国内外对异养硝化-好氧反硝化菌的研究取得了一定成果,能够异养硝化-好氧反硝化的菌属有人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)[6]、粪产碱菌(Alcaligenes faecalis)[7]、假单胞菌(Pseudomonas)[8-9]、泛养硫球菌(Thiosphaera pantotropha)[10]、芽孢杆菌(Bacillus)[11]、不动杆菌(Acinetobacter)[12]、雷氏普罗威登斯菌(Providencia rettgeri)[13]和嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinivorans)[14]等.与自养硝化菌和厌氧反硝化菌相比,异养硝化-好氧反硝化菌具有世代周期短、生长迅速、可耐受低溶解氧和高有机负荷、对环境的适应能力强的特点[15],使其在污水处理方面很有前景.不同的异养硝化-好氧反硝化菌对氮素的去除能力不同,有些去除NH4+-N能力强,有些去除NO2--N和NO3--N能力强,因此,可以利用菌群之间共生、协同等作用提高水体中氮素的去除率.司文攻等[16-17]对筛选的多株异养硝化菌进行简单混合,初步研究了复合菌株在异养硝化过程中对NH4+-N的去除率,但并没有进一步研究菌株之间的协同与竞争,也未对复合菌株的反硝化脱氮特性进行研究.

该研究以筛选出的高效异养硝化-好氧反硝化菌为对象,考察单菌株和复合菌株的脱氮特性,探讨混合异养硝化-好氧反硝化菌群之间的协同竞争,以期丰富生物脱氮理论并且为提高污水脱氮效率提供一定的技术参考.

1 材料与方法 1.1 菌源

试验污泥取自广州市大坦沙污水处理厂A2/O工艺,分别用异养硝化和好氧反硝化培养基通过平板划线的方式得到三株异养硝化-好氧反硝化菌XH02、XH03和FX03.

1.2 培养基

异养硝化培养基(g/L):(NH4)2SO4 0.50 g,柠檬酸三钠3.46 g,维氏盐溶液50 mL,C/N=8,加水溶解,补充蒸馏水至1 L,pH=7.5.

好氧反硝化培养基(g/L):KNO30.77 g,柠檬酸三钠3.46 g,维氏盐溶液50 mL,C/N=8,加水溶解,补充蒸馏水至1 L,pH=7.5.

维氏盐溶液(g/L)[18]:K2HPO4 5.0 g,MgSO4 ·7H2O 2.5 g,NaCl 2.5 g,MnSO4 ·4H2O 0.05 g,FeSO4 ·7H2O 0.05 g.

LB培养基(g/L):蛋白胨10.0 g,NaCl 10.0 g,牛肉膏3.0 g,加水溶解,补充蒸馏水至1 L,pH=7.5,用于菌株活化.

以上所有培养基均在0.11 MPa、121 ℃下灭菌30 min,冷却后备用.

1.3 试验方法 1.3.1 菌株的系统发育分析

菌株XH02、XH03和FX03基因组DNA的提取以及16S rDNA的PCR扩增和测序均由上海生工生物工程技术服务有限公司完成.将其基因序列提交至GenBank进行Blast检索,然后用MEGA 6.0软件,以Neighbor-Joining法构建系统发育图.

1.3.2 异养硝化和好氧反硝化特性的测定试验

种子培养液:挑取XH02、XH03和FX03单菌落分别接种于装有100 mL LB培养基的250 mL锥形瓶中,30 ℃、150 r/min下摇床振荡培养8 h,取出10 mL菌悬液以4 000 r/min离心5 min,弃去上清液,取5 mL无菌水将细菌混匀洗涤一遍,再离心,弃去上清液,取2 mL无菌水,将留在离心管底部菌体悬浮混匀后全部转移到装有50 mL无菌水的100 mL锥形瓶中,混匀,作为菌株的种子培养液.

菌株组合方案:在无菌条件下分别取各菌株的种子培养液,按表 1所示方案中对应的接种量分别接种于异养硝化和好氧反硝化培养基中,于30 ℃、150 r/min下培养72 h,每隔12 h检测培养液中菌体生长量(A600)、ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NH2OH)、ρ(NO3--N)和ρ(NO2--N)的变化,测定ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)、ρ (NO2--N)和ρ(NH2OH)时,均用经离心后细菌培养液的上清液,测定ρ(TN)时则用细菌悬浊液.

表 1 菌株的组合方案 Table 1 Combination scheme of strains
1.4 分析方法

ρ(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法测定;ρ(NO3--N)采用紫外分光光度法测定;ρ(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定;ρ(NH2OH)采用间接分光光度法测定.菌体生长量(A600):测定菌液在600 nm波长时的吸光度.

氮的去除率计算公式:

$ R = \left( {{c_{\rm{i}}} - {c_{\rm{t}}}} \right)/{{\rm{c}}_{\rm{i}}} \times 100\% $

式中:R为氮的去除率,%;ci为初始氮质量浓度,mg/L;ct为最终氮质量浓度,mg/L.

每组试验设3个平行,试验数据分别用Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 20.0软件进行处理、制图和统计分析.

2 结果与分析 2.1 菌株的系统发育分析

菌株XH02、XH03和FX03的16S rDNA序列长度在1 383~1 435 bp之间,经Blast同源性检索,构建出系统进化发育树(见图 1).根据菌株在系统发育树上的位置,可初步确定XH02为人苍白杆菌(Ochrobactrum sp.),XH03和FX03为假单胞菌(Pseudomonas sp.).

图 1 基于16S rDNA基因序列同源性构建的菌株XH02、XH03和FX03的系统发育树 Figure 1 Phylogenetic tree of strain XH02, XH03 and FX03 based on the complete sequence of 16S rDNA gene
2.2 单菌株的脱氮特性 2.2.1 单菌株的异养硝化特性

菌株XH02的异养硝化过程见图 2(a).由图 2(a)可见,XH02菌在24 h内的生长速率最快,A600在第36小时达到最大值(1.27),之后长时间处于稳定期,随着菌体的增殖过程,反应体系中ρ(NH4+-N)和ρ(TN)从反应前的101.68和104.83 mg/L降至9.96和20.71 mg/L,NH4+-N和TN的去除率分别为90.2%和80.2%.异养硝化过程中NH2OH一直存在,呈现出先升后降的趋势,第24小时达到最大值(41.06 mg/L),随着反应进行又逐渐降解,在第72小时NH2OH基本完全降解.反应体系中不产生NO3--N和NO2--N.

图 2 菌株的异养硝化过程 Figure 2 Heterotrophic nitrification process of strains

菌株XH03的异养硝化过程见图 2(b).由图 2(b)可见,在24 h内,菌体大量生长繁殖,之后逐渐生长缓慢,在第36小时A600达到最大值(1.23).第24小时菌株对NH4+-N的去除率为89.5%,对TN的去除率为84.3%.异养硝化过程中,没有检测到NH2OH.

菌株FX03的异养硝化过程见图 2(c).由图 2(c)可见,第24小时NH4+-N和TN的去除率分别为90.6%和71.5%在第36小时A600达到最大值(1.19).反应过程中,检测到有NH2OH和NO3--N产生,ρ(NH2OH)在第24小时达到最大值(23.73 mg/L),ρ(NO3--N)在第36小时达到最大值(25.72 mg/L),随着反应进行NH2OH和NO3--N在第72小时基本完全降解.

2.2.2 单菌株的好氧反硝化特性

菌株XH02的好氧反硝化过程见图 3(a).由图 3(a)可见,XH02在12~24 h内生长较快,A600在第36小时达到最大值1.14.第24小时ρ(NO3--N)和ρ(TN)从反应前的101.07和102.27 mg/L降至8.26和17.28 mg/L,去除率分别为91.8%和83.1%.反应后期检测到有NH4+-N产生,ρ(NH4+-N)最大值为1.02 mg/L.

图 3 菌株的好氧反硝化过程 Figure 3 Aerobic denitrification process of strains

菌株XH03的好氧反硝化过程见图 3(b),由图 3(b)可见,在第24小时NO3--N和TN的去除率分别为94.0%和90.2%,在24~72 h内ρ(NO3--N)和ρ(TN)基本保持不变. A600在第36小时达到最大值(1.20),在第72小时降至1.07.

图 3(c)可知,菌株FX03在第24小时对NO3--N和TN的去除率分别为63.7%和60.3%,在第36小时A600达到最大值(0.78).反应体系中ρ(NH4+-N)的变化范围为0.52~3.61 mg/L.

菌株XH02、XH03和FX03的好氧反硝化过程中,ρ(NO2--N)分别低于4.37、2.32和1.62 mg/L,与各自空白样对照,均无显著性差异(P>0.05).

2.3 复合菌株的脱氮特性 2.3.1 复合菌株的异养硝化特性

复合菌株XH02+XH03、XH02+FX03、XH03+ FX03和XH02+XH03+FX03的异养硝化过程见图 4.

图 4 复合菌株的异养硝化过程 Figure 4 Heterotrophic nitrification process of compound strains

图 4(a)可见,复合菌株XH02+XH03在第24小时对NH4+-N和TN的去除率分别为97.1%和87.6%,在第36小时A600达到最大值(1.34).反应过程中ρ(NH2OH)在第36小时达到最大值,无NO3--N和NO2--N的产生.

复合菌株XH02+FX03的异养硝化过程见图 4(b),由图 4(b)可见,NH4+-N和TN的去除率在第24小时达到81.5%和66.3%,在第36小时A600达到最大值(1.04).反应过程中ρ(NH2OH)和ρ(NO3--N)在第36小时都达到最大值,分别为22.34和15.29 mg/L,在第72小时NH2OH和NO3--N基本完全降解.

图 4(c)可见,复合菌株XH03+FX03在24 h内快速生长,A600在第36小时达到最大值(0.90),在第24小时对NH4+-N和TN的去除率为75.7%和54.9%.反应过程中ρ(NH2OH)在第24小时达到最大值(12.27 mg/L),ρ(NO3--N)在第36小时达到最大值(15.29 mg/L).

复合菌株XH02+XH03+FX03的异养硝化过程见图 4(d).由图 4(d)可见,在第24小时对NH4+-N和TN的去除率分别为84.9%和72.7%,在第36小时A600达到最大值(1.18).反应过程中ρ(NH2OH)和ρ(NO3--N)在第36小时达到最大,在第72小时基本完全降解.

2.3.2 复合菌株的好氧反硝化特性

复合菌株XH02+XH03的好氧反硝化过程见图 5(a).由图 5(a)可见,24 h内菌体生长快速,A600在第36小时达到最大值(1.28). ρ(NO3--N)和ρ(TN)在第24小时从反应前的101.07和102.27 mg/L降至4.26和9.27 mg/L,去除率分别为96.7%和90.6%.反应过程中ρ(NH4+-N)低于0.88 mg/L.

图 5 复合菌株的好氧反硝化过程 Figure 5 Aerobic denitrification process of compound strains

图 5(b)可知,复合菌株XH02+FX03对NO3--N和TN去除率在第24小时分别为54.7%和45.1%.第36小时A600达到最大值(0.92).反应过程中,ρ(NH4+-N)的变化范围为0.64~0.88 mg/L.

复合菌株XH03+FX03的好氧反硝化过程见图 5(c).由图 5(c)可见,在第24小时对NO3--N和TN的去除率为52.3%和42.1%. A600在第36小时达到最大值(0.85).反应过程中ρ(NH4+-N)低于1.89 mg/L.

图 5(d)可见,复合菌株XH02+XH03+FX03在第36小时的A600达到最大值(1.02),在第24小时NO3--N和TN的去除率为75.5%和65.3%.反应过程中ρ(NH4+-N)较低.

复合菌株XH02+XH03、XH02+FX03、XH03+FX03和XH02+XH03+FX03在好氧反硝化过程中ρ(NO2--N)分别低于1.87、1.87、2.04和3.17 mg/L,与各自的空白样对照,均无显著性差异(P>0.05).

2.4 菌株间脱氮特性的对比 2.4.1 菌株间异养硝化特性的对比

以NH4+-N为底物时,单菌株和所有复合菌株在第24小时对NH4+-N和TN的去除率均达到最大值,在第36小时A600达到最大值,因此,选择第24小时对NH4+-N和TN的去除率及第36小时的A600比较菌株间的异养硝化特性.由图 6可见,菌株XH02、XH03和FX03对NH4+-N的去除率无显著性差异(P>0.05).复合菌株XH02+XH03、XH02+FX03、XH03+FX03和XH02+XH03+FX03对NH4+-N的去除率均有显著性差异(P < 0.05), 其中XH02+XH03对NH4+-N的去除率最高,达到97.1%,XH03+FX03对NH4+-N的去除率最差,仅有75.7%.复合菌株XH02+XH03对NH4+-N的去除率较相应的单菌株均有提高,而复合菌株XH02+FX03、XH03+ FX03和XH02+XH03+FX03对NH4+-N的去除率较其相应的单菌株都有降低.复合菌株XH02+XH03+FX03对NH4+-N的去除率高于XH02+FX03和XH03+FX03. XH02与XH03对TN的去除率无显著性差异(P>0.05).复合菌株XH02+XH03对TN的去除率最高,为87.6%,较单菌株XH02和XH03都有提高.复合菌株XH02+FX03、XH03+FX03对TN的去除率无显著性差异(P>0.05),较其相应的单菌株都有下降.复合菌株XH02+XH03+FX03对TN的去除率高于XH02+FX03和XH03+FX03.

注:不同小写字母表示菌株之间差异显著性(P < 0.05). 图 6 菌株对NH4+-N和TN的去除率以及A600的对比 Figure 6 Comparison of ammonia nitrogen, total nitrogen removal rate and A600 for strains

菌株XH03和FX03的A600无显著性差异.复合菌株XH02+XH03的A600最高,不仅高于相应的单菌株,而且高于其他复合菌株.复合菌株XH02+FX03、XH03+FX03的A600分别为1.04和0.90,较其相应的单菌株有下降.复合菌株XH02+XH03+FX03的A600大于XH02+FX03和XH03+FX03.

2.4.2 菌株间好氧反硝化特性的对比

以NO3--N为底物时,单菌株和所有复合菌株在第24小时对NO3--N和TN的去除率均达到最大值,在第36小时A600达到最大值,因此,选择第24小时对NO3--N和TN的去除率及第36小时的A600比较菌株间的好氧反硝化特性.由图 7可见,菌株XH02和XH03对NO3--N的去除率无显著性差异(P>0.05),而FX03与XH02、XH03均有显著性差异(P < 0.05).复合菌株XH02+XH03对NO3--N的去除率最高,为96.7%,较相应的单菌株都有提高,XH03+FX03对NO3--N的去除率最低,为52.3%.复合菌株XH02+XH03+FX03对硝态氮的去除率高于XH02+FX03和XH03+FX03.

注:不同小写字母表示菌株之间差异显著性(P < 0.05). 图 7 菌株对NO3--N和TN的去除率以及菌体生长量A600的对比 Figure 7 Comparison of nitrate nitrogen, total nitrogen removal rate and A600 for strains

三菌株对TN的去除率均有显著性差异(P < 0.05).复合菌株XH02+XH03对TN的去除率为90.6%,与菌株XH03间无显著性差异(P>0.05),复复合菌株XH02+FX03和XH03+FX03对总氮的去除率较差,分别为45.1%和42.1%,两复合菌株之间无显著性差异(P>0.05).复合菌株XH02+XH03+FX03对TN的去除率高于XH02+FX03和XH03+FX03.菌株XH02和XH03的A600无显著性差异(P>0.05),FX03与XH02、XH03有显著性差异.

3 讨论 3.1 单菌株的脱氮过程以及高效脱氮特性

Richardson等[19]研究表明,NH4+-N可以通过两种途径转化为气态氮:① NH4+-N→NH2OH→NO2--N→ NO3--N,然后再还原为气态氮;② NH4+-N→ NH2OH→NO→N2O→N2,直接产生气态氮,通过生物脱氮作用不会产生NO3--N和NO2--N.菌株XH02的硝化过程产生NH2OH,不产生NO3--N,并且NH4+-N和TN大大降低,因此,菌株XH02去除NH4+-N应由途径② 完成,这与菌株Y-10[20]和WXZ-4[21]的脱氮途径相同.菌株XH03在硝化过程中对NH4+-N和TN的去除率较高,无NO3--N的产生,它的脱氮应由途径② 完成.菌株FX03的硝化过程中,有NO3--N的产生,其脱氮应由途径① 完成的.菌株XH02、XH03和FX03在异养硝化和好氧反硝化的过程中都不产生NO2--N,这与好氧反硝化菌DL-23[22]脱氮过程积累大量NO2--N不同.由于NO2--N具有致癌性,所以菌株脱氮过程中不产生NO2--N对生物脱氮具有重要意义. 3个菌株在好氧反硝化过程后期都检测到少量NH4+-N的产生,这与HE等[23-24]的研究中反硝化过程产生少量NH4+-N的结果相一致.

当碳源为柠檬酸三钠、氮源为(NH4)2SO4或KNO3并且其初始质量浓度为100 mg/L左右时,菌株XH02在第24小时对NH4+-N和NO3--N的去除率均达到90%以上.李紫惠等[6]研究发现,在氮源初始质量浓度为250 mg/L左右时,菌株XH02对NH4+-N和NO3--N的去除率在第24小时只能达到80%左右,因此,氮的初始浓度会影响脱氮效率[25-26].菌株XH03和FX03都属于假单胞菌属,XH03有着较好的异养硝化和好氧反硝化能力,在第24小时对NH4+-N和NO3--N的去除率分别达到89.5%和94.0%,与假单胞菌株y3[27]相似.菌株FX03对NH4+-N的去除率远大于对NO3--N的去除率,这一特点类似于不动杆菌TN14[28],显著不同于菌株C3[29],C3可以反硝化去除NO3--N但却不能进行异养硝化去除NH4+-N.

3.2 菌株间的协同与竞争对异养硝化特性的影响

微生物间存在着多种复杂的相互关系,如互生、共生、拮抗等[30].根据有效微生物技术原理[31],不同的脱氮菌共存于同一环境时,如果相互之间生态位分离,形成了互生关系,就能产生协同作用,相互提供营养及其他生活条件,相互受益,促进彼此的生长繁殖.因此异养硝化-好氧反硝化菌共同培养存在的协同和竞争作用会影响脱氮性能,同样地,通过对单菌株和复合菌株脱氮性能的研究可以揭示菌株之间的协同竞争作用.

复合菌株XH02+XH03的A600较相应的单菌株提高了10%左右(见图 6),表明在同一个异养硝化反应体系中菌株XH02和XH03具有协同作用,能够相互促进生长.复合菌株XH02+XH03对NH4+-N和TN的去除率较两单菌株XH02和XH03都有提高.菌株XH02和XH03通过协同作用进一步提高了脱氮效率.尹明锐等[17]研究发现,异养硝化-好氧反硝化菌WYLW1和WYLW4组合的复合菌株F1较单菌株也能提高NH4+-N的去除率,因此,在异养硝化过程中菌株之间的协同作用对提高脱氮效率具有重要意义.

复合菌株XH02+FX03、XH03+FX03的A600较其相应的单菌株都有下降,因此,在同一个异养硝化反应体系中菌株XH02和FX03、XH03和FX03相互竞争,抑制了生长,这种竞争作用导致复合菌株XH02+FX03、XH03+FX03对NH4+-N和TN的去除率显著下降.比较复合菌株XH02+XH03+FX03与XH02+XH03对NH4+-N和TN的去除率以及A600可发现,菌株FX03的存在抑制了菌株XH02和XH03的生长,降低了脱氮效率,进一步证明了菌株FX03对菌株XH02和XH03的竞争作用.这与复合菌株N2+N4+N7[16]间的竞争作用类似,比相应单菌株的异养硝化效率差.可见脱氮效率高的单菌株组合并不一定能取得好的脱氮效果,菌株之间的竞争作用会降低脱氮效率.

在异养硝化条件下,比较复合菌株对NH4+-N和TN的去除率以及A600可以发现,在等量菌株XH02、XH03和FX03共存的异养硝化过程中,菌株XH02和XH03间的协同作用强于FX03对XH02和XH03的抑制作用.

3.3 菌株间的协同与竞争对好氧反硝化特性的影响

复合菌株XH02+XH03的A600较两单菌株提高了10%左右(见图 7),而对NO3--N和TN的去除率较单菌株只有小幅的提高,说明菌株XH02和XH03在好氧反硝化的反应体系内相互促进了生长,但对脱氮效率的影响小.呼婷婷[32]采用吸附复合的方式组合了异养硝化-好氧反硝化菌Y1和L1,结果表明,复合菌株对NO3--N的去除率较单菌株有较大提高,因此,不同的复合方式会影响菌株之间的协同和竞争作用.

在好氧反硝化过程中菌株FX03对XH02、XH03表现出竞争作用,抑制了XH02和XH03的生长,使复合菌株对NO3--N和TN的去除率下降.在等量菌株XH02、XH03和FX03共存的反应过程中,菌株XH02和XH03的协同作用强于FX03对XH02和XH03的抑制作用.不同异养硝化-好氧反硝化菌之间既有协同又有竞争,在脱氮过程中,通过提高异养硝化-好氧反硝化菌之间的协同作用、降低竞争作用,能够促进脱氮效率进一步提高,可为新型脱氮工艺的研究提供参考.

4 结论

a) 菌株XH02和XH03对NH4+-N和NO3--N的去除率较高,当氮源初始质量浓度为100 mg/L左右时,第24小时对NH4+-N的去除率分别达到90.2%和89.5%,对NO3--N的去除率分别达到91.8%和94.0%.菌株FX03对NH4+-N的去除率远高于对NO3--N的去除率.

b) 复合菌株XH02+XH03在异养硝化和好氧反硝化脱氮过程中能够相互协同、促进生长、提高对氮的去除率.

c) 在异养硝化和好氧反硝化的过程中,菌株FX03的存在会抑制菌株XH02和XH03的生长,降低脱氮效率.

d) 在等量菌株XH02、XH03和FX03共存的异养硝化和好氧反硝化过程中,菌株XH02和XH03之间的协同作用强于菌株FX03对XH02、XH03的竞争作用.

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