Effects of dissolved oxygen on microbial community of single-stage autotrophic nitrogen removal system treating simulating mature landfill leachate

溶解氧對處理模擬成熟垃圾滲濾液的單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)微生物群落的影響

來源：Bioresource Technology, Volume 218, 2016, Pages 962-968

《生物資源技術(shù)》，第218卷，2016年，第962-968頁

 

摘要

摘要指出，本研究調(diào)查了四個相同的序批式生物膜反應器（SBBR）在30°C下處理含2000 mg/L氨氮的模擬成熟垃圾滲濾液的自養(yǎng)脫氮性能。主要目的是評估溶解氧（DO）對單級厭氧氨氧化和部分亞硝化（SNAP）系統(tǒng)性能和微生物群落的影響。在施加負載為0.5 kg N m?3 d?1時，最佳DO濃度為2.7 mg/L下，平均總氮去除效率（TNRE）長期高于90%。微電極測量的剖面顯示了生物膜內(nèi)部的微環(huán)境。16S rRNA擴增子焦磷酸測序和變性梯度凝膠電泳（DGGE）用于分析不同DO濃度和反應器內(nèi)部不同位置的微生物變化。

 

研究目的

研究目的是評估溶解氧（DO）對單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)（結(jié)合厭氧氨氧化和部分亞硝化，即SNAP）的性能和微生物群落的影響，以確定最佳DO條件，實現(xiàn)高效氮去除，同時分析微生物群落的響應。

 

研究思路

研究思路包括設置四個平行的序批式生物膜反應器（SBBR），在相同操作條件下運行，但控制DO濃度分別為1.0、2.0、2.7和3.5 mg/L。系統(tǒng)處理模擬成熟垃圾滲濾液，監(jiān)測氮去除性能（如總氮、氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度）。使用微電極技術(shù)測量生物膜內(nèi)部的氧化還原電位（ORP）剖面，以揭示微環(huán)境。同時，采集污泥樣品進行DNA提取，應用DGGE和16S rRNA測序分析微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，以關(guān)聯(lián)DO條件與微生物動態(tài)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 數(shù)據(jù)來自圖1：測量了不同DO濃度（1.0、2.0、2.7和3.5 mg/L）下的總氮去除效率（TNRE）和氨氮去除效率（ARE）。研究意義是顯示DO對氮去除效率的顯著影響，最佳DO為2.7 mg/L時TNRE超過90%，幫助識別最優(yōu)操作條件，避免DO過低或過高導致的效率下降。

 

2. 數(shù)據(jù)來自圖2：測量了一個操作周期內(nèi)氮濃度（氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽）的動態(tài)變化。研究意義是揭示SNAP系統(tǒng)的瞬時去除過程，顯示部分亞硝化和厭氧氨氧化的協(xié)同作用，強調(diào)DO控制對維持反應平衡的重要性。

 

3. 數(shù)據(jù)來自圖3：使用微電極測量了生物膜內(nèi)部的ORP剖面，顯示不同DO濃度下的氧化還原梯度。研究意義是直接可視化生物膜微環(huán)境，證實外部好氧區(qū)和內(nèi)部厭氧區(qū)的存在，支持氨氧化細菌（AOB）和厭氧氨氧化細菌（AAOB）的共存，為優(yōu)化DO提供機理依據(jù)。

 

4. 數(shù)據(jù)來自圖4：通過16S rRNA測序分析了微生物群落在門水平和種水平的組成，如Proteobacteria、Xanthomonas campestris和Nitrosomonas europaea的相對豐度。研究意義是顯示DO如何影響優(yōu)勢菌群比例，例如在DO為2.7 mg/L時AOB與AAOB比例約為4:7，揭示微生物群落結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)，并解釋難降解有機物去除的可能機制。

 

5. 數(shù)據(jù)來自圖5：通過DGGE分析了反應器不同高度（15cm、25cm、35cm）的微生物群落圖譜。研究意義是顯示盡管優(yōu)勢菌群相似，但存在小范圍差異，表明DO梯度導致微環(huán)境變化，影響微生物分布，強調(diào)反應器內(nèi)部均勻性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性。

 

 

結(jié)論

1. 最佳DO濃度為2.7 mg/L時，系統(tǒng)能長期維持總氮去除效率高于90%，表明DO控制是單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵。

2. 微電極測量證實生物膜內(nèi)部存在好氧和厭氧微環(huán)境，支持AOB和AAOB的協(xié)同作用，實現(xiàn)部分亞硝化和厭氧氨氧化。

3. 微生物分析顯示AOB（如Nitrosomonas europaea）與AAOB（如Xanthomonas campestris）的比例約為4:7，接近理論最優(yōu)值，確保氮去除途徑的平衡。

4. DO升高會導致AAOB相對豐度下降，而AOB增加，影響氮去除效率，強調(diào)需避免DO過高引起的硝酸鹽積累。

5. 系統(tǒng)對難降解有機物有一定去除能力，可能與Comamonas sp.和Ferruginibacter alkalilentus等菌群相關(guān)，擴展了SNAP系統(tǒng)的應用潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量氧化還原電位（ORP）剖面，提供了高分辨率的生物膜內(nèi)部微環(huán)境數(shù)據(jù)。研究意義在于，這些測量直接揭示了DO梯度如何形成外部好氧區(qū)和內(nèi)部厭氧區(qū)，支持氨氧化細菌（AOB）在好氧層進行部分亞硝化，而厭氧氨氧化細菌（AAOB）在厭氧層完成脫氮。例如，在DO為2.7 mg/L時，ORP從生物膜表面的-2.8 mV降至4mm深處的-166.8 mV，創(chuàng)建了適合AAOB的厭氧條件，這幫助驗證了單級反應器中微生物分層的可行性。這種實時微環(huán)境數(shù)據(jù)優(yōu)化了DO控制策略，避免了因DO不當導致的抑制問題，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率，為全規(guī)模應用提供了理論基礎。