科研 北工大：在降温和非严格厌氧条件下厌氧氨氧化菌在厌氧氨氧化颗粒中的富集：连续和顺序分批补料策略的比较

　　本研究采用连续流反应器（CFR）和序批式反应器（SBR），研究了在降低温度和非严格厌氧条件下CFR和SBR厌氧氨氧化颗粒形成的差异。

　　本研究采用连续流反应器（CFR）和序批式反应器（SBR），研究了在降低温度和非严格厌氧条件下CFR和SBR厌氧氨氧化颗粒形成的差异。结果表明，CFR和SBR在第70天都成功地实现了初始颗粒化（D[4，3] = 280.44和346.28 μm）。与SBR相比，当水温出现季节性下降（18-14℃）时，由于CFR具有较好的生物质保留能力（1397 mg L

　　基于CFR提供的稳定适宜的环境，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）能够容易地自聚集并分泌胞外聚合物（EPS），EPS可以捕获其他细菌作为守护者。在SBR中，AnAOB在其他细菌和厚

　　译名：在降温和非严格厌氧条件下厌氧氨氧化菌在厌氧氨氧化颗粒中的富集：连续和顺序分批补料策略的比较

　　两个反应器连续运行390天。图1为CFR和SBR在整个运行周期的脱氮性能。在NLR与SBR（0.04

　　26天达到71.03%左右。而SBR在第26天的TN去除率为33.29%。在第26天，CFR的ΔNO

　　-N比值稳定，接近理论值，SBR在第199天接近理论值。CFR和SBR的NRR值分别约为0.57和0.15 kg N m

　　。需要注意的是，与SBR相比，低温对CFR脱氮的影响较小。从第159天到第181天，温度从18℃下降到14℃，CFR和

　　-N的去除效率也显著下降（CFR：97.91-61.70%和90.80-61.47%；SBR：60.42-28.72%和98.47-51.95%）。然而，如图4所示，在运行时间的159天至181天之间，MLSS在CFR中的浓度显著高于SBR

　　 0.01）。因此，脱氮效率的差异是由生物量浓度引起的。不出所料，从第148天到第214天，SBR的沉淀物被洗出，这在3.1.3节中得到了进一步证实。

　　在350-390天期间，CFR和SBR平均NLR分别为0.77（±0.04）和0.17（±0.01）kg N m

　　如图2所示，两种反应器的颗粒形态差异很大。在第42天，SBR开始出现一些小颗粒（图2b和l），但与CFR相比，SBR中出现了更多的无定形絮凝物。“颗粒沉淀物被定义为最小尺寸为200 μm的微生物聚集体”为标准，以区分颗粒和絮凝生物量。在第70天，CFR可称完全颗粒化，平均颗粒体积直径（D[4，3]）为280.44 μm（图3）。SBR沉淀物粒径（346.28 μm）高于CFR沉淀物粒径（

　　为了揭示SBR和CFR厌氧氨氧化颗粒化差异巨大的原因，在第107天进行了SBR和CFR的循环试验（CFR中的水在一个循环试验前先排出，下一个循环试验与SBR相同）（图S2）。首先，两个反应器中的DO浓度比合成废水中的自来水高5-6

　　）下存活。因此，在每个循环的进料阶段开始时较高的DO水平可能导致SBR中厌氧氨氧化颗粒化的困难。而CFR持续低DO浓度（0.12-0.18

　　），这与之前的研究相似。在循环试验中，还对ORP这一重要的工艺指标参数进行了监测。ORP结果表明，厌氧氨氧化工艺的脱氮限制在较低的ORP值范围内（−18-+56 mV），这与前人的研究结果相似。

　　在CFR处理中，103-366天厌氧氨氧化颗粒以“铁红花椰菜”为主。还有一些颗粒是半透明的，甚至是空心的，就像我们之前研究的那样。最终平均直径约为1 mm，这与之前的研究一致。在SBR中，颗粒形态与CFR并不相似。如图2n所示，由于好氧菌在反应器中消耗了过量的DO，厌氧氨氧化聚集体倾向于生长在颗粒内部。因此，在循环试验的补料阶段开始时，如图2I和m所示的小型厌氧氨氧化聚集体暴露在较高水平（5-6

　　（图4a和b）。这是可以接受的，因为初步冲洗是颗粒化所固有的。20天后，CFR和SBR的MLSS分别增加到515 mg L

　　），这可能是由于温度显著下降所致（图1）。然而，在第368天，随着温度升高到21℃，SBR的MLSS和MLVSS含量分别逐渐增加到520 mg L

　　。因此，认为温度是SBR中生物量变化的主要原因是合理的。此外，温度对CFR和SBR影响的差异在4.2节中进一步讨论。

　　由图4c和d可知，在第13-148天，CFR和SBR的PN和PS含量显著增加（CFR：16.77-110.80 mg g

　　）。第148-262天，CFR和SBR的PN和PS含量下降（CFR：110.80-37.89 mg g

　　 0.05）。EPS是微生物分泌的，有利于微生物在各种环境下的生存。第103-148天，温度从26℃降至19℃，随着EPS含量的增加，温度呈下降趋势。同时，EPS含量的降低表明AnAOB的生活环境得到了改善，即183-262天的温度从14℃上升到21℃（

　　 0.05）。关于降低温度对CFR和SBR的EPS影响的差异在4.2节中进一步讨论。然而，如图4所示，在159-181天，CFR中的MLSS浓度明显高于SBR。因此，可以合理地认为，脱氮效率的差异是由MLSS浓度引起的。

　　如前期研究所述，PN越高，颗粒的疏水性越好，颗粒的沉降能力和稳定性越好。CFR的PN含量高于SBR，表现出更好的形态特征，如图2所示。微生物大量产生EPS，有利于其在各种生活环境中生存。EPS含量的降低表明厌氧氨氧化细菌对生存环境的逐渐适应。此外，EPS的PN/PS比被认为是沉淀物稳定性的良好指标：PN/PS比越高，稳定性越差。第214天后，随着温度的升高，长期运行的CFR和SBR反应器的EPS含量和PN/PS比逐渐降低，表明两个反应器的厌氧氨氧化颗粒性能逐渐改善。

　　对于SAA，EPS与SAA之间存在一定的关系。综上所述，CFR中SAA高于SBR，说明CFR中AnAOB的丰度较高（图8）。在两个反应器中，每克色氨酸或蛋白样物质的荧光强度显示出与PN相同的趋势（表1）。在第214天，CFR和SBR中色氨酸或蛋白样物质达到最大值，表明厌氧氨氧化生物量对低温胁迫（14℃）的保护响应。在第103天，在CFR中发现了可溶性微生物副产物样物质（图5），其颗粒显示出良好的形态特征（图2e）。然而，SBR中的可溶性微生物副产物在第368天出现，此时SBR中的厌氧氨氧化生物质似乎实现了良好的颗粒化（图2t）。

　　采用FISH为基础的微生物分析技术观察第215天CFR和SBR的颗粒。如图6所示，AnAOB占来自CFR的颗粒中细菌总数的38.8%，占来自SBR的颗粒中细菌总数的5.6%。CFR制得的颗粒具有中空的空间和非光滑的内壁，有若干气孔，用于交换底物（NH

　　）。SBR的三个小颗粒（图6b）中，有两个是不规则的，另一个是空心的，这可以对应第257天的微观图片（图2）。为了研究CFR和SBR的微生物群落特征，对部分颗粒样本进行16S核糖体RNA基因焦磷酸测序分析。保存种子颗粒并命名为SS；C1和C2的颗粒样品是在第170天和第400天从CFR中收集的；第170天和第400天来自SBR的颗粒样品命名为S1和S2-G。另外，从SBR内壁采集了一些生物膜样品，为S2-M（图7）。

　　图6 第215天CFR和SBR颗粒的FISH图像（FITC标记的EUB338探针的绿色信号表示细菌总数，AMCA标记的Amx820探针的蓝色信号表示AnAOB，亮蓝色信号来自EUB338探针和Amx820探针结合的混合物）。

　　Proteobacteria）（图8a）。目前报道的浮霉菌门具有厌氧氨氧化功能。变形菌门的存在表明该反应器存在反硝化作用，之前的研究发现，变形菌门可以利用死细胞释放的EPS和有机物作为反硝化碳源。变形菌门由多种代谢类型的好氧、厌氧或兼性细菌组成，在一些废水处理过程中也被证实SS、C1、S1、C2、S2-G和S2-M分别占26.87、20.91、31.63、29.51、35.17和66.16%。此外，拟杆菌门（Bacteroidetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflex）和放线菌门（Actinobacteria）参与反硝化过程。图8b显示了微生物种群在纲水平上的分布。主要类别为浮霉菌纲（Planctomycetia）、鞘脂杆菌纲（Sphingobacteriia）、β-变形菌纲（Betaproteobacteria）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、酸杆菌_Gp4纲（Acidobacteria_Gp4）和γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）。

　　（SS、C1、S1、C2、S2-G和S2-M分别占3.06、47.21、7.02、2.38、1.45和0.25%）。由于不严格的厌氧条件，发现了亚硝化螺菌属（

　　）被鉴定为异养硝化-好氧反硝化细菌（HNO-ADNB），广泛存在于生物膜（S2-M）中，占49.91%（SS、C1、S1、C2和S2-G中分别占0.15、0.10、0.20、0.74和9.69%）。此外，假单胞菌属（

　　被鉴定为反硝化细菌（DNB），可能是利用EPS中的可溶性微生物副产物样物质去除氮。重要的是，在SS、C1、S1、C2、S2-G和S2-M中，

　　（分别占8.83、0.43、1.86、0.03、0.07和0.02%）能够通过EPS分泌来加速AnAOB的聚集，在SS中非常丰富。这表明

　　可能是厌氧氨氧化颗粒早期颗粒化的贡献者。因此，厌氧氨氧化、HNO-ADNB和DNB的共存是厌氧氨氧化颗粒沉淀在没有严格厌氧条件下高效脱氮的保证。

　　图8a–c为储能模量（G′）、损耗模量（G″）、复态粘度（η*）和剪切应力（τ）的应变（γ）相关性。三个厌氧氨氧化样品的G′、G″和η*在低应变（γ2%）下具有相对恒定的值，表明存在线性粘弹性（LVE）区域。线性粘弹性区域（LEVR）表示在不破坏样本结构的情况下可执行测试的范围。该区域位于图形的左侧，即低应变值的范围。LEVR中的G′和G″值可以表示样品的粘弹性行为。样品GG″具有凝胶状或固体状结构，可称为粘弹性固体材料。当G′G″时，样品具有流体结构，可以称为粘弹性流体。因此，三种厌氧氨氧化样品在较低的应变下表现出凝胶状或固体状的机械行为。这些流变特性意味着厌氧氨氧化样品是水凝胶，一种能够可逆地吸收和排出水或生物液体的凝胶。

　　也显著高于SBR颗粒和SBR生物膜（分别为6567.4、2739.6和3808.4 Pa）。这表明CFR中颗粒的机械强度高于SBR中聚集体的机械强度（表3）。

　　值差距较大（5.89）。因此，SBR中的聚集体比CFR中的颗粒更软，显示出更蓬松的结构和更低的EPS含量。

　　结果表明，在42天时CFR和SBR处理出现了混有絮凝体的红色厌氧氨氧化聚集体。随着絮凝剂的不断洗涤，CFR在第70天首次出现了明显的颗粒。而在SBR中，随着单个红色聚集体的消失，难以颗粒化，而AnAOB更喜欢在具有良好滞留能力的厌氧生物聚集体内部以小规模菌落生长。EPS在厌氧氨氧化颗粒的形成、稳定和生长中发挥着重要作用。随着颗粒化过程的进行，EPS含量逐渐增加。第103天，CFR和SBR的颗粒尺寸分别为525.47和366.56 μ。