环境科学研究  2019, Vol. 32 Issue (8): 1427-1436  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2019.05.24

引用本文  

刘旭, 王继华, 车琦, 等. AOA-SBR系统运行效能及高效聚磷菌的特性研究[J]. 环境科学研究, 2019, 32(8): 1427-1436.
LIU Xu, WANG Jihua, CHE Qi, et al. Operational Efficiency of an AOA-SBR System and the Characteristics of High-Efficiency Phosphorus-Accumulating Bacteria[J]. Research of Environmental Sciences, 2019, 32(8): 1427-1436.

基金项目

国家水体污染控制与治理重大专项(No.2017ZX07202-002-06)
National Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment, China (No.2017ZX07202-002-06)

责任作者

王继华(1972-), 女, 黑龙江庆安人, 教授, 博士, 主要从事环境微生物学、微生物遗传学研究, wangjihua333@hotmail.com.

作者简介

刘旭(1993-), 女, 吉林扶余县人, 2865320449@qq.com

文章历史

收稿日期:2019-02-23
修订日期:2019-05-10
AOA-SBR系统运行效能及高效聚磷菌的特性研究
刘旭 , 王继华 , 车琦 , 任氢欣     
哈尔滨师范大学生命科学与技术学院, 黑龙江 哈尔滨 150025
摘要:为获得聚磷能力突出且抗逆性强的菌株,进一步扩大生物除磷的应用范围,在实验室条件下完成AOA-SBR反应器的启动及运行,基于Illumina Miseq高通量测序技术对反应器各运行阶段样品中的细菌群落结构进行解析,从稳定运行的SBR反应器中分离得到聚磷菌,分别进行菌株的鉴定及其生长聚磷特性研究.结果表明:①反应器的启动及运行后期,各项出水水质指标均达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A水平,系统的除磷率稳定在95%以上.②反应器对于除磷微生物的定向富集作用较强,变形菌门中的不动杆菌属为优势菌群.③共分离得到5株高效聚磷菌,暂命名为LXP1~LXP5,经鉴定分别为假单孢菌属(Pseudomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)、红球菌属(Rhodococcus)、大头茶属(Gordonia)及脂肪杆菌属(Pimelobacter).④LXP1~LXP5都具有典型的生长曲线和较短的生长周期,生长周期范围为24~36 h;各菌株在好氧条件下的吸磷量均在10 mg/L以上,最大可达30 mg/L.研究显示,实验室条件下AOA-SBR反应器的启动及运行可较好地实现对活性污泥中的除磷微生物定向富集的目的,该试验分离得到5株高效聚磷菌并经鉴定分属5种不同的菌属范畴,其中Rhodococcus、GordoniaPimelobacter的菌株为近年来鲜有的从活性污泥中筛选得到的具有较好聚磷特性的菌株.
关键词聚磷菌    鉴定    生长特性    聚磷特性    
Operational Efficiency of an AOA-SBR System and the Characteristics of High-Efficiency Phosphorus-Accumulating Bacteria
LIU Xu , WANG Jihua , CHE Qi , REN Qingxin     
College of Life Science and Technology, Harbin Normal University, Harbin 150025, China
Abstract: The objectives of this study were to generate the bacterial strains with an outstanding ability of phosphorus accumulation and stress resistance, and to improve the efficiency of biological phosphorus removal. The start-up and operation of an AOA-SBR reactor were completed under laboratory conditions. In addition, bacterial community structure was analyzed via the Illumina Miseq high-throughput sequencing technology. The phosphorus-accumulating bacteria were isolated from the stable SBR reactor. Subsequently, the identification of the strains and the characteristics of growth and phosphorus accumulation were studied. The experimental results revealed that:(1) The start-up and operation of the reactor were successfully completed. The effluent indexes were stable, and the effluent concentration reached level A of GB 18918-2002 Discharge Standard of Pollutants in Urban Sewage Treatment Plant. The phosphorus removal rate of the system remained above 95%. (2) The directional enrichment of the reactor was strong, with Acinetobacter in Proteus as the dominant group. (3) Five high-efficiency phosphorus-accumulating bacteria were isolated, which were identified as Pseudomonas, Acinetobacter, Rhodococcus, Gordonia and Pimelobacter, respectively. (4) The growth curves of strains LXP1-LXP5 were typical, and the growth cycle was short. The growth cycle ranged from 24 to 36 h. The phosphorus uptake of the strains was above 10 mg/L under aerobic conditions, with a maximum of 30 mg/L. Studies showed that the start-up and operation of the AOA-SBR reactor under laboratory conditions could better achieve the purpose of directed enrichment of phosphorus-accumulating microorganisms in activated sludge. The strains LXP1-LXP5 belonged to five different genera. Rhodococcus, Gordonia and Pimelobacter strains were rare strains with better P-accumulating characteristics screened from activated sludge in recent years.
Keywords: phosphorus-accumulating organisms    identification    growth characteristics    phosphate accumulation characteristics    

近年来,水体富营养化的相关问题在世界各水域频繁发生,并且已逐渐成为全球关注的研究热点[1].氮、磷元素是水体富营养化发生的主要原因,而磷元素被认为是更为关键的因素[2-3].因此,对于水体富营养化的防治,越来越多的研究者将关注重点放在污水除磷方面.

我国在GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准中要求磷酸盐(以P计)的排放浓度不得高于0.5 mg/L.对此各地方政府为使河流断面的水质质量达标,对于城市污水中磷酸盐的排放要求则更为严格.生物除磷技术已成为现阶段针对于城市污水除磷的主要技术手段,其除磷过程是利用细胞合成,将环境中的可溶性磷酸盐吸收到污泥细胞中,从而将可溶性磷酸盐转化为多聚磷酸盐(polyphosphate,Poly-P)贮存于胞内,经沉淀作用沉积于底泥中,通过各污水处理工艺中排除剩余污泥的过程达到排除进水中过量磷酸盐的目的[4].可见,分离筛选出更多具有较强除磷能力的聚磷微生物尤为重要.

聚磷菌(polyphosphate accumulating organisms, PAOs)是生物除磷技术应用中的主要功能菌群[5-6].聚磷菌的生长过程中具有“超量吸磷”的特性,可以有效地吸收污水中可溶性磷酸盐[7].菌群的除磷模式[8-9]:在厌氧条件下,菌体水解胞内多聚磷酸盐释放能量,同时降解糖原物质提供还原力以便菌体从环境中吸收挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)合成聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxy chain alkyl ester,PHAs)贮存于胞内,实现此过程会向外界环境中释放磷酸盐,表现为厌氧释磷;在好氧条件下,菌体细胞利用环境中的溶解氧作为电子受体并分解细胞内贮存的PHAs产生能量,分别用于糖原和多聚磷酸盐的合成,实现此过程菌体会从外界环境中摄取可溶性磷酸盐,表现为好氧吸磷.聚磷菌在好氧条件下的吸磷量远超过厌氧条件下的释磷量,所以此类菌群具有超量吸磷的特性.污水厂生物除磷稳定性及磷回收研究一直是污水处理领域的研究热点[10].目前,研究者们对提高微生物的除磷效率、增强微生物的抗逆性保持着更高的关注度,以期进一步解决强化生物除磷等相关问题.得到具有稳定生长特性并且可高效除磷的聚磷菌种显得尤为重要,这不仅为聚磷机制的探讨奠定基础,还可提高污水除磷效率进而有效地综合防治水体的富营养化现象,对污水除磷工艺的改革也具有重要意义.

1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 试验装置及进水条件

试验装置采用由有机玻璃制成的厌氧/好氧/缺氧(anaerobic/aerobic/anoxic,A/O/A)SBR反应器,有效体积为3.5 L,高30 cm,内径14 cm.反应器内设有温度计进行温度监测,反应器上方设置搅拌装置保持泥水混合,内设微孔曝气头,连接外部气体流量计和空气泵等装置进行曝气(见图 1).试验进水采用人工配水,利用1 mmol/L的NaOH或HCl试剂将进水pH调至7.0左右,具体配方见表 1.

图 1 SBR反应器装置 Fig.1 Schematic diagram of the SBR reactor

表 1 反应器进水配方 Table 1 Influent water quality of the reactor
1.1.2 运行方式

试验所用的活性污泥材料取自黑龙江省哈尔滨市文昌污水处理厂的二沉池.反应器中的梯度驯化分为两个阶段进行.具体运行参数为运行周期8 h,每天运行3个周期,排水体积1.6 L.每周期具体时间安排为进水10 min、厌氧154 min、好氧114 min、缺氧174 min、沉淀26 min、出水2 min.反应器运行期间保持ρ(MLSS)在4 000 mg/L左右,并定期排泥,使得水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)为17.5 h,污泥停留时间(sludge retention time,SRT)为15 d.在反应器运行期间,每天检测其运行过程中进水和出水的ρ(CODMn)、ρ(NH4+-N)、ρ(PO43--P),同时测定出水中的ρ(NO3--N)、ρ(NO2--N)积累情况.

1.1.3 分析方法

试验中涉及的检测项目及分析方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[11-12]. ρ(CODMn)采用重铬酸钾法测定;ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂光度法测定;ρ(PO43--P)采用钼锑抗光度法测定;ρ(NO3--N)采用酚二磺酸光度法测定;ρ(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定等.

1.2 聚磷菌的分离筛选 1.2.1 培养基

培养基配方[13]:①CH3COONa 3.23 g/L、KH2PO4 35 mg/L、NH4Cl 305.52 mg/L、MgSO4 ·7H2O 91.26 mg/L、CaCl2 19.39 mg/L、PIPES buffer 8.5 g/L、微量元素2 mL/L、pH 7.0. ②柠檬酸钠5 g/L、KNO3 2 g/L、K2HPO4 1 g/L、KH2PO4 1 g/L、MgSO4 ·7H2O 0.2 g/L、pH 7.2.

微量元素配方[14]:FeSO4 ·7H2O 5 g/L、CuSO4 ·5H2O1.6 g/L、MnCl2 ·4H2O 5 g/L、(NH4)6Mo7O24 ·4H2O 1.1 g/L、H3BO3 0.05 g/L、CoCl2 ·6H2O 0.05 g/L、KI 0.01 g/L、pH 7.0.

1.2.2 聚磷菌的分离纯化

试验中通过稀释涂布平板法分离菌株,通过四区划线法纯化菌株[15].操作过程:从稳定运行的SBR反应器内取活性污泥10 mL,加入装有90 mL无菌水及若干无菌玻璃珠的250 mL锥形瓶内;于摇床中在30 ℃、160 r/min下振荡培养2 h;取污泥悬液1 mL加入到装有9 mL无菌水的试管内,摇匀得到10-1梯度的污泥悬液;重复此操作,获得10-7~10-2梯度的污泥悬液;在无菌条件下,取各梯度摇匀污泥悬液100 μL进行稀释涂布,30 ℃下培养2 d;在菌落分离较好的平板上挑取形态特征不同且可挑取的单菌落进行四区划线培养,2 d后再次进行四区划线纯化培养;如此重复3~4次,得到各菌株的纯菌落.

1.2.3 高效聚磷菌的菌种鉴定

聚磷菌单菌落的形态特征主要从培养基颜色、菌落颜色、黏稠度、边缘状态、透明度及隆起状态等方面进行总结.生理生化鉴定试验包括革兰氏染色试验、硝酸盐还原试验、氧化酶试验、接触酶试验、葡萄糖氧化发酵试验、V.P.试验、明胶液化试验等,具体方法参见《常见细菌系统鉴定手册》[16]和《伯杰氏细菌鉴定手册》[17].

1.2.4 高效聚磷菌的16S rDNA序列测定与系统发育树分析

采用哈尔滨睿博兴科生物技术有限公司细菌基因组提取试剂盒Hai Gene, B0135进行各菌株基因组DNA的提取,分别用正向引物27F(5′-AGAGTTT GATCMTGGCTCAG-3′)和反向引物1492R(5′-GGTT ACCTTG -TTACGACTT-3′)进行细菌16S rDNA序列的扩增,然后送到哈尔滨睿博兴科生物技术有限公司进行测序,将序列的拼接结果在GenBank中进行Blast对比,并采用MEGA 7.0构建系统发育进化树.

1.3 高效聚磷菌的生长及聚磷特性

菌株生长聚磷曲线测定流程:将待测菌株接种到含100 mL富磷培养基的250 mL锥形瓶中,于30 ℃、160 r/min的摇床内分别培养24和48 h,得到试验所用的种子液;将种子液按接种至含100 mL高磷培养基的250 mL锥形瓶内,接种量为1%;初始磷质量浓度为35 mg/L (LXP1~LXP2试验条件)和20 mg/L(LXP3~LXP5试验条件),于30 ℃、160 r/min的摇床内培养24和48 h,每隔2 h取瓶内菌液测定其A600 nm的值;同时将一定量的菌液在10 000 r/min下离心5 min后取上清液,经0.22 μm滤膜过滤得到滤液,检测滤液中ρ(PO43--P),每组试验均设置3个平行.

2 结果与讨论 2.1 AOA-SBR反应器内各项水质指标去除情况

试验过程中反应器共计运行25 d,经历2个驯化阶段.各项进出水水质指标的质量浓度变化情况及去除率如图 2~4所示.

图 2 SBR反应器CODMn、TN去除效果 Fig.2 CODMn and TN removal efficiency of the SBR reactor

图 3 SBR反应器NH4+-N去除效果及NO3--N、NO2--N的积累情况 Fig.3 Removal of NH4+-N and accumulation of NO3--N and NO2--N in the SBR reactor

图 4 SBR反应器PO43--P去除效果 Fig.4 Removal of PO43--P in the SBR reactor

图 2可见,反应器运行期间进水ρ(CODMn)基本维持在400~700 mg/L之间,后期维持稳定运行时出水ρ(CODMn)基本维持在20~30 mg/L之间;反应器运行期间进水ρ(TN)较为稳定且在启动第二阶段时进水有明显提升,在反应器整个运行过程中,对二者维持着较强的去除能力,在反应器运行后期ρ(CODMn)和ρ(TN)的去除率均维持在90%以上.

图 3可见,进水ρ(NH4+-N)分别达15和30 mg/L,两个阶段运行后期的出水ρ(NH4+-N)低于检出限,去除率最终为95%以上.在反应器整个运行过程中,一直保持着较强的ρ(NH4+-N)去除能力,并且出水中的ρ(NO3--N)、ρ(NO2--N)几乎无积累.

图 4可见,进水ρ(PO43--P)最高约为7 mg/L左右,两个阶段运行后期的出水ρ(PO43--P)低于检出限,去除率为95%以上.在反应器整个运行过程中,一直保持着较强的ρ(PO43--P)去除能力.

2.2 SBR反应器内高通量测序结果分析 2.2.1 反应器内细菌群落丰富度及多样性

利用上海美吉生物医药科技有限公司的高通量测序平台对反应器运行不同阶段的活性污泥进行测序.反应器内细菌群落结构的丰富度及多样性情况见表 2,其中反映群落丰富度的为Sobs指数、Chao1指数和Ace指数,反映群落多样性的为Shannon-Wiener指数、Simpson指数和Coverage.由表 2可见:Coverage值均在0.99以上,说明该试验中污泥样本的α多样性指数数值可以反映其中细菌的真实情况;3个污泥样品中的Ace指数、Chao1指数表现为LXP1>LXP2>LXP4,说明随着反应器的运行,微生物种群的丰度逐渐下降;从Shannon-Wiener指数和Simpson指数变化可知,随着反应器的运行,细菌种群多样性略有降低,同时也说明优势种群在反应器内得以富集.

表 2 SBR反应器内微生物丰富度和多样性情况 Table 2 Species abundance and diversity for microbial communities in the SBR
2.2.2 反应器内细菌群落结构分析

图 5为污泥样品中细菌在门水平上的分类结果.该研究中用于测序的3个样品中的细菌群落,其中初始泥样LXP1中主要包括变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、螺旋体菌门(Saccharibacteria)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)等菌门,将其他相对丰度在1%以上的菌门合并成others在图中显示.其中,Proteobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes以及Chloroflexi为优势菌门,分别占试验细菌总量的33.15%、25.96%、11.45%以及10.95%.随着反应器的运行,优势菌门发生更替现象,其中的Proteobacteria发展成反应器内的绝对优势菌群,其余的相对丰度较高的菌门都有不同程度的下降.已有研究[18-21]表明,环境中分离检测到的聚磷菌群以变形菌门和放线菌门为主,说明此反应器的运行启动成功实现对聚磷菌群的富集作用.

图 5 污泥样品中门水平下细菌群落结构及分布的分类 Fig.5 Bacterial community structure and distribution of the samples at phylum level

图 6为污泥样品中细菌在属水平的分类结果.其中,初始泥样LXP1中优势菌属为Candidatus_microthrixDechloromonas,相对丰度约占细菌总数的10.85%和9.60%,随着反应器的运行Acinetobacter得到了最为显著的富集效果,成为优势菌属,而初始泥样中的优势菌属相对丰度显著下降,说明反应器的运行启动成功富集得到生物除磷的功能菌群.

图 6 污泥样品中属水平下细菌群落结构及分布的分类 Fig.6 Bacterial community structure and distribution of the samples at genus level
2.3 高效聚磷菌的形态学特征及生理生化鉴定结果

利用稀释涂布平板法筛选分离反应器内活性污泥中的聚磷菌,共计获得17株有聚磷效果的菌株.经过好氧吸磷的复筛试验,对比其吸磷能力确定其中5株为高效聚磷菌,分别为LXP1~LXP5.各菌株的菌落结构特征及生理生化鉴定结果见表 3.与《常见细菌系统鉴定手册》[16]和《伯杰氏细菌鉴定手册》[17]进行对比,可以初步将5株试验菌株鉴定到属水平.

表 3 高效聚磷菌菌落形态学特征及生理生化鉴定结果 Table 3 Morphological characteristics and physiological and biochemical identification of high-efficiency phosphorus-accumulating bacteria
2.4 高效聚磷菌的16S rDNA序列测定与系统发育树分析

将菌株的16S rDNA序列提交到NCBI的GenBank中进行Blast对比,当对比后的同源性高于97%时,可认为是同一菌属.对比后显示,菌株LXP1与Pseudomonas putida strain AS90(AY622320.1)的序列同源性约为99%,菌株LXP2与Acinetobacter beijerinckii strain 47(KM114925.1)、Acinetobacter sp. strain JB7(EF103561.1)的序列同源性均达到99%,菌株LXP3与Rhodococcus sp. strain PHE11(KU522579.1)的序列同源性约为99%,菌株LXP4与Gordonia didemni strain B204(JN615417.2)的序列同源性约为99%,菌株LXP5与Pimelobacter sp. N062(KC252735.1)的序列同源性约为99%.综上,菌株LXP1~LXP5依次属于假单胞菌属(Pseudomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)、红球菌属(Rhodococcus)、大头茶属(Gordonia)以及脂肪杆菌属(Pimelobacter).采用MEGA 7.0构建的系统发育进化树如图 7所示.

图 7 基于16S rDNA序列同源性构建的菌株和部分亲缘性相近细菌的系统发育树 Fig.7 Unrooted phylogenetic trees based on the 16S rDNA sequence of strains and the related strains
2.5 高效聚磷菌的生长聚磷特性

对于菌株生长特性的研究主要包括测定菌株的生长曲线及好氧吸磷试验2个方面,具体试验结果见图 8.由图 8可见:各菌株的生长曲线均较典型,存在明显的4个生长时期(迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期);各菌株培养液中的磷质量浓度随其培养时间的延长而逐渐下降,即菌株的好氧吸磷过程可伴其生长过程同步进行.

图 8 LXP1、LXP2、LXP3、LXP4、LXP5的生长曲线及聚磷特性 Fig.8 Growth curve and phosphorous removal characteristic of strains LXP1, LXP2, LXP3, LXP4and LXP5

菌株LXP1和LXP2的生长趋势较为相似,二者的生长延迟期较短仅为2 h,在此阶段菌株生长速度缓慢,处于对新环境的适应阶段.随后,菌株开始进入生长对数期,在此阶段菌株的生长速度达到最大值,培养液中的ρ(PO43--P)亦在此阶段有明显下降,在培养时间达到12 h时对数生长时期结束. 12~24 h为菌株生长的稳定期和衰亡期,稳定期时菌量达到最大值(A600 nm=1.672和A600 nm=1.671),培养20 h左右菌株的A600 nm有小幅下降,培养液中ρ(PO43--P)略有上升,这是因为在菌株生长后期,次生代谢产物的积累及营养物质的消耗殆尽,部分菌体裂解导致胞内的磷释放,致使培养液中的ρ(PO43--P)有所回升,但总体较为稳定.伴随菌株整个生长周期,最终使得ρ(PO43--P)从初始的35 mg/L分别降至9和5 mg/L.

菌株LXP3、LXP4和LXP5的生长趋势较为相似,其生长延迟期较菌株LXP1和LXP2的长,可达10 h,说明这3株菌株对新环境的适应能力相对较弱一些.在随后的10~26 h的对数生长期,其生长规律与前2株菌株大致相同,对于外界环境中的可溶性磷酸盐会伴随菌株生长进行快速吸收,亦表现为培养液中的ρ(PO43--P)明显下降,ρ(PO43--P)从初始的20 mg/L分别降至7、4、8 mg/L.培养26 h后,菌株逐渐进入生长的稳定期和衰亡期,各菌株稳定期的最大菌量分别在A600 nm为1.569、1.325和1.372时.菌株生长进入衰亡期时,A600 nm与培养液中的ρ(PO43--P)变化规律同LXP1和LXP2,但菌株的生长状态达到动态平衡.

综上,菌株LXP1和LXP2的生长周期比菌株LXP3~LXP5短一半,并且生长延迟期均远远小于菌株LXP3~LXP5,仅为2 h,说明这2株菌株对环境的适应能力更快更强,即这2株菌株更适应用于后期的工程应用[22-24];菌株LXP2的吸磷量最大,达30 mg/L,可用于某些高磷污染地的生物除磷,有利于磷元素的回收再利用.由于初筛共计得到有明显聚磷效能的菌株17株,通过好氧吸磷试验确定其中5株菌株的聚磷能力更强,同时与近年来高效聚磷菌的相关研究[25-26]进行对比,定义该研究筛选得到的5株聚磷菌均为高效聚磷菌.结合各菌株的生长曲线可确定其最佳培养时间分别为14、14、24、24、26 h.此外,总结5株菌的生长聚磷曲线可得出:菌株的聚磷能力与其所处生长周期的相关性较强,菌株所处的生长周期越活跃,菌株的聚磷效率亦越高.菌株的吸磷率在达到其生长的稳定期时增至最大,随后即出现了释磷现象,释磷量均很小,说明菌株的聚磷能力并不是随着其生长时间的增长而有所提高,在菌株进入生长阶段的后期,由于菌体的次生代谢产物的积累以及营养物质的消耗,逐渐进入衰亡期,在此阶段部分菌体开始裂解,并将胞内物质(含P)释放至培养液中,致使培养液中的ρ(PO43--P)有所升高.结合各菌株的聚磷特性可确定其最大吸磷量均在10 mg/L以上,而菌株LXP4和LXP5又分属大头茶属(Gordonia)、脂肪杆菌属(Pimelobacter),属于近年来不常见的高效聚磷菌属,可进一步提高聚磷菌的种质资源,为其代谢机制的研究提供理论基础[27-28].

近年来,对于聚磷菌的研究一直是国内外研究者的关注热点.在国外,活性污泥中的聚磷菌群最早在1975年得到了Fuhs等[29]的关注. 1990年Streichan等[30]分别从污水处理厂中生物除磷系统运行的不同阶段筛选得到可培养的聚磷菌,经鉴定活性污泥内微生物中的主要功能菌群是不动杆菌属,同时试验结果显示,驯化后聚磷菌群的聚磷量约为8 mg/L. 1999年Sidat等[31]从活性污泥中同样筛选得到可培养的聚磷菌,并进行了相关特性研究,结果显示,其中的假单胞菌属所占比重最大,并且聚磷量也为试验所获菌株中的最高者,约为20 mg/L,其余菌属的菌株聚磷量在3~19 mg/L之间. 2010—2014年热点为聚磷菌代谢机制及功能基因的相关研究[32-34],刘亚男等[35]于2005年首次从除磷污泥中筛选得到1株聚磷菌PAO1-1,鉴定为产碱杆菌属.随后更多的研究者从活性污泥中筛选得到聚磷菌,经菌种鉴定,其中主要菌属为假单胞菌属,且其聚磷量也相对较高,最高可达18 mg/L[36-38].此外,其他菌属包括芽孢杆菌属、肠杆菌属、葡萄球菌属、副球菌属和泛菌属等,其聚磷量在4~10 mg/L之间[26].对比近年来大多数国内外研究结果,认为该研究中所获得的菌株LXP1和LXP2的菌属与前人研究结论相符,分属于除磷污泥内的2种主要功能菌群,对比试验菌株的聚磷量,二者的聚磷量可分别达26和30 mg/L,较之前试验获得假单胞菌属和不动杆菌属的菌株聚磷量更高,其中相关试验证明假单胞菌属的聚磷菌株大多具有反硝化能力,因此对于菌株LXP1的后续试验可进行相关的反硝化能力测定.此外,该研究中获得的红球菌属、脂肪杆菌属及大头茶属的菌株为近年来鲜有的从活性污泥中筛选得到的有较高聚磷特性的菌株,且其聚磷能力均较强,为10 mg/L以上,由此判定该试验获得的5株聚磷菌为高效聚磷菌.可见,该研究使聚磷菌的种质资源得到丰富,可为后期的工程应用及代谢机理研究提供更多的科学依据.

3 结论

a) 完成AOA-SBR反应器的启动运行,稳定期出水中各项水质指标的去除率均在90%以上,并且出水浓度达到GB 18918—2002一级A标准.

b) 反应器内各运行阶段的细菌群落结构在门水平及属水平上的优势菌群分别为Proteobacteria菌门、Acinetobacter属.

c) 从稳定运行的反应器中分离出5株高效聚磷菌LXP1~LXP5,经鉴定依次为假单孢菌属(Pseudomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)、红球菌属(Rhodococcus)、大头茶属(Gordonia)、脂肪杆菌属(Pimelobacter).

d) 对菌株的生长聚磷特性研究发现,LXP1~LXP5具有较典型的生长曲线,并且生长周期及最佳培养时间均较短,其中菌株LXP2的最佳培养时间为12 h;各菌株的聚磷量均超过了10 mg/L,其中菌株LXP2的聚磷量最高,达30 mg/L.

参考文献
[1]
张彦, 窦明, 李桂秋, 等. 考虑光盐交互作用的湖泊富营养化学模型[J]. 中国环境科学, 2017, 37(11): 4312-4322.
ZHANG Yan, DOU Ming, LI Guiqiu, et al. Lake eutrophication chemical model considering photo-salt interaction[J]. China Environmental Science, 2017, 37(11): 4312-4322. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2017.11.037 (0)
[2]
MIQUEL L, FRANK V O. Controlling eutrophication by combined bloom precipitation and sediment phosphorus inactivation[J]. Water Research, 2013, 47: 6527-6537. DOI:10.1016/j.watres.2013.08.019 (0)
[3]
单爱琴, 郭小品, 郝红艳, 等. 磷对云龙湖富营养化优势藻及混合藻生长的影响[J]. 环境科学与技术, 2006, 29(8): 36-39.
SHAN Aiqin, GUO Xiaopin, HAO Hongyan, et al. Effects of phosphorus on the growth of dominant eutrophic algae and mixed algae in Yunlong Lake[J]. Environmental Science & Technology (China), 2006, 29(8): 36-39. DOI:10.3969/j.issn.1003-6504.2006.08.016 (0)
[4]
SAUNDERS A M, OEHMEN A, BLACKALL L L, et al. The effect of GAOs (glycogen accumulating organisms) on anaerobic carbon requirements in full scale Australian EBPR plants[J]. Water Science Technology, 2003, 47(11): 37-43. DOI:10.2166/wst.2003.0584 (0)
[5]
BECK M B. Applying systems analysis in managing the water environment:towards a new agenda[J]. Water Sience & Technology, 1997, 36(5): 1-17. (0)
[6]
SEEMA K, KUSUM H, SANJAY C. Characterization of Pseudomonas aeruginosa PAO specific bacteriophages isolated from sewage samples[J]. Journal of Biomedical Science, 2009, 1(2): 91-102. (0)
[7]
SONG Yonghui, PETER G W, UTE B. Calcite-seeded crystallization of calcium phosphate for phosphorus recovery[J]. Chemosphere, 2005, 63(2): 236-241. (0)
[8]
LAW Y, RASMUS H K, ANGEL A C, et al. Integrative microbial community analysis reveals full-scale enhanced biological phosphorus removal under tropical conditions[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 1-15. DOI:10.1038/s41598-016-0001-8 (0)
[9]
ERIK J, RANDAL W S, STENSEL H D. Effect of process configurations and alum addition on EBPR in membrane bioreactors[J]. Water Environment Foundation, 2006, 6: 5145-5166. (0)
[10]
ZENG Fanzhe, JIN Wenbiao, ZHAO Qingliang. Temperature effect on extracellular polymeric substances (EPS) and phosphorus accumulating organisms (PAOs) for phosphorus release of anaerobic sludge[J]. The Royal Society of Chemistry, 2019, 9: 2162-2171. (0)
[11]
董自艳, 戴翚, 马仕洪, 等. 紫外-可见分光光度法快速确定细菌菌液的浓度[J]. 中国药品标准, 2014, 15(2): 120-121.
DONG Ziyan, DAI Wei, MA Shihong, et al. Rapid determination of bacterial bacterial concentration by ultraviolet-visible spectrophotometry[J]. Chinese Drug Standards, 2014, 15(2): 120-121. (0)
[12]
国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 4版. 北京: 中国环境科学出版社, 2002. (0)
[13]
张倩.反硝化聚磷菌的特性及同步脱氮除磷机理研究[D].武汉: 武汉大学, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10486-1011403785.htm (0)
[14]
KIRSTEN S J, ANNELI S L P. Polyphosphate accumulation among denitrifying bacteria in activated sludge[J]. Environmental Microbiology, 1995, 1: 161-168. (0)
[15]
沈萍, 陈向东. 微生物学试验[M]. 4版. 北京: 北京高等教育出版社, 2007. (0)
[16]
东秀珠, 蔡妙英. 常见细菌系统鉴定手册[M]. 北京: 科学出版社, 2001. (0)
[17]
布坎南RE, 吉本斯NE. 伯杰氏细菌鉴定手册[M]. 8版. 北京: 科学出版社, 1984. (0)
[18]
陈楠.太湖沉积物微生物群落组成与物质循环及藻华爆发的相关性[D].北京: 中国农业大学, 2015. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10019-1015582996.htm (0)
[19]
夏学惠, 东野脉兴, 周建民, 等. 滇池现代沉积物中磷的地球化学及其对环境影响[J]. 沉积学报, 2002, 20(3): 416-420.
XIA Xuehui, DONGYE Maixing, ZHOU Jiamin, et al. Geochemistry and influence to environment of phosphorus in modern sediment in Dianchi Lake[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2002, 20(3): 416-420. DOI:10.3969/j.issn.1000-0550.2002.03.009 (0)
[20]
孙雪, 朱为静, 王亮, 吴伟祥.强化生物除磷系统主要微生物及其代谢机理研究进展[J].应用生态学报, 2014, 25(3): 892-902
SUN Xue, ZHU Weijing, WANG Liang.Review on the main microorganisms and their metabolic mechanisms in enhanced biological phosphorus removal (EBPR) systems[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(3): 892-902. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YYSB201403038.htm (0)
[21]
王亚东, 王少坡, 郑莎莎, 等. 生物除磷系统的聚磷微生物种群及其检测方法[J]. 环境工程, 2015, 33(2): 21-26.
WANG Yadong, WANG Shaopo, ZHENG Shasha, et al. Poly-P accumulating microorganisms and identifying methods for biological phosphorus removal system[J]. Environmental Engineering, 2015, 33(2): 21-26. (0)
[22]
ZHAO Jianwei, WANG Dongbo, LI Xiaoming, et al. An efficient process for wastewater treatment to mitigate free nitrous acid generation and its inhibition on biological phosphorus removal[J]. Scientific Reports, 2015, 5: 1-8. DOI:10.9734/JSRR/2015/14076 (0)
[23]
SUN Jian, YANG Qi, WANG Dongbo, et al. Nickel toxicity to the performance and microbial community of enhanced biological phosphorus removal system[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 313: 415-423. DOI:10.1016/j.cej.2016.12.078 (0)
[24]
HSU C H, CHANG W C, CHEN J J, et al. Comparing the long-term effect of high P/COD influent on enhancement of phosphate-accumulating organisms between acetate-and propionate-fed reactors[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2013, 88: 1071-1079. DOI:10.1002/jctb.3942 (0)
[25]
李海峰, 李超敏, 赵凤霞, 等. 1株可利用多环芳烃化合物聚磷菌的除磷特性[J]. 贵州农业科学, 2013, 41(10): 89-92.
LI Haifeng, LI Chaomin, ZHAO Fengxia, et al. Phosphorus removal characteristics of a strain of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs)[J]. Guizhou Agricultural Science, 2013, 41(10): 89-92. DOI:10.3969/j.issn.1001-3601.2013.10.025 (0)
[26]
张立成, 李艳美, 袁雅姝, 等. 5株聚磷菌的筛选与亚硝化反硝化除磷特性研究[J]. 工业水处理, 2012, 32(4): 33-35.
ZHANG Licheng, LI Yanmei, YUAN Yashu, et al. Screening of 5 strains of phosphorus accumulating bacteria and characteristics of nitrification and denitrification for phosphorus removal[J]. Industrial Water Treatment, 2012, 32(4): 33-35. DOI:10.3969/j.issn.1005-829X.2012.04.009 (0)
[27]
SONDOS A S, LAURENS W, CARLOS M L V., et al. Sulfide effects on the anaerobic metabolism of polyphosphate-accumulating organisms[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 326: 68-77. DOI:10.1016/j.cej.2017.05.074 (0)
[28]
ADRIAN O, RAYMOND J Z, YUAN Zhiguo, et al. Anaerobic metabolism of propionate by polyphosphate-accumulating organisms in enhanced biological phosphorus removal systems[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2005, 91(1): 43-53. DOI:10.1002/bit.20480 (0)
[29]
FUHS G W, CHEN M. Microbiological basis of phosphate removal in the activated sludge process for the treatment of wastewater[J]. Microbial Ecology, 1975, 2: 119-138. DOI:10.1007/BF02010434 (0)
[30]
STREICHAN M, JOCHEN R, GEORG G. Polyphosphate-accumulating bacteria from sewage plants with different processes for biological phosphorus removal[J]. FEMS Microbiology Ecology, 1990, 73: 113-124. DOI:10.1111/j.1574-6968.1990.tb03931.x (0)
[31]
SIDAT M, BUX F, KASAN H C. Polyphosphate accumulation by bacteria isolated from activated sludge[J]. Water SA, 1999, 25(2): 175-180. (0)
[32]
ZHOU Y, PIJUAN M, OEHMEN A, et al. The source of reducing power in the anaerobic metabolism of polyphosphate accumulating organisms(PAOs):a review[J]. Water Science & Technology, 2010, 61(7): 1653-1662. (0)
[33]
HE S M, MCMAHON K D. 'Candidatus Accumulibacter' gene expression in response to dynamic EBPR conditions[J]. The ISME Journal, 2011, 5: 329-340. DOI:10.1038/ismej.2010.127 (0)
[34]
CARVALHEIRA M, OEHMEN A, CARVALHO G, et al. The effect of substrate competition on the metabolism of polyphosphate accumulating organisms (PAOs)[J]. Water Research, 2014, 64: 149-159. DOI:10.1016/j.watres.2014.07.004 (0)
[35]
刘亚男, 于水利, 薛罡, 等. 聚磷菌PAO1-1的筛选及除磷特性[J]. 中国给水排水, 2005, 21(10): 13-17.
LIU Yaman, YU Shuili, XUE Gang, et al. Screening and phosphorus removal characteristics of phosphorus-accumulating bacteria PAO1-1[J]. Water Supply and Drainage in China, 2005, 21(10): 13-17. DOI:10.3321/j.issn:1000-4602.2005.10.004 (0)
[36]
蔡天明, 管莉菠, 崔中利, 等. 1株高效除磷菌的筛选及其除磷性能研究[J]. 土壤学报, 2006, 43(1): 117-123.
CAI Tianming, GUAN Libo, CUI Zhongli, et al. Screening of an efficient phosphorus removal bacterium and its phosphorus removal performance[J]. Journal of Soil Science, 2006, 43(1): 117-123. DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2006.01.017 (0)
[37]
陈亚松, 金文标, 闫韫, 等. 高效聚磷菌的筛选及其应用[J]. 净水技术, 2011, 30(2): 19-22.
CHEN Yasong, JIN Wenbiao, YAN Yun, et al. Screening and application of high efficient phosphorus accumulating bacteria[J]. Water Purification Technology, 2011, 30(2): 19-22. DOI:10.3969/j.issn.1009-0177.2011.02.005 (0)
[38]
张敬, 任丽平, 陈金华, 等. 聚磷菌AP7的筛选及除磷特性研究[J]. 中国西部科技, 2011, 10(15): 13-14.
ZHANG Jing, REN Liping, CHEN Jinhua, et al. Screening and phosphorus removal characteristics of phosphorus-accumulating bacteria AP7[J]. Science and Technology of Western China, 2011, 10(15): 13-14. DOI:10.3969/j.issn.1671-6396.2011.15.007 (0)