干扰活性污泥氧气转运的"问题少年"丝状菌

作者： Biomarker

发布于 2019年3月11日

分类：微生物组测序

英文题目：Thiothrix eikelboomii Interferes Oxygen Transfer in Activated Sludge

发表期刊：Water Research

影响因子：7.01

发表时间：2019.2

合作单位：暨南大学环境学院

背景介绍

曝气能为好氧污水处理系统中的微生物提供充足氧气，然而，氧气在水中的溶解度较低，曝气通常需要消耗污水处理系统50%以上的能源，因此，氧转运效率（OTE）的提高对污水处理系统的可持续性运转意义重大。关于污水处理中的OTE问题，悬浮颗粒物（MLSS）、表面活性剂、混合强度、盐度、温度以及粘度对氧气从空气转运至水中的影响都是学者们研究的“宠儿”，很少有人关注微生物。研究表明，菌丝的爆发会导致活性污泥反应器中的OTE降低50%，其中“罪魁祸首”就是丝状微生物。丝状菌是活性厌氧污泥中的“常客”，这些臭名昭著的“无赖”往往会降低污泥的处理性能，然而它们的氧转运研究还未曾报道。可溶物或污泥颗粒引发的菌丝爆发通常伴随OTE的明显下降，活性污泥的优势菌群改变可以影响溶解性微生物产物（SMPs），SMPs（如生物表面活性剂）已被证实有明显的氧转运干扰作用。丝状菌的“细长”菌丝可以改变活性污泥的流体性能（如表观粘度），丝状菌“高产”的胞外聚合物（EPS）（如蛋白、多糖）也能够影响氧转运，尽管菌丝的膨胀与氧转运之间的联系已被很早关注，然而目前仍没有结论。

目的

本文围绕氧转运特征、SMP的产生、EPS的含量与分布、表观粘度（apparent viscosity）以及丝状膨胀污泥（FBS）和絮状物污泥（FFS）的微生物群落进行研究，探究丝状菌对氧转运影响的主要机制，鉴定干扰氧转运的主要微生物种类。

材料方法

1. 活性污泥样本：FBS和FFS分别来自两个处理生活污水的试验规模动态膜生物反应器，两个生物膜反应器均在实验室内运行，FBS中的丝状菌通过倒置荧光显微镜来观察。

2. 氧转运试验：检测容积传氧系数（K_La）和α-因子。

3. 表观粘度的检测：旋转粘度计（NDJ-5S）。

4. SMP和TB-EPS分析：糖类和蛋白质是SMP和EPS的主要成分，SMP和EPS的含量计算分别采用硫酸/蒽酮氧化法和修正劳力法（Lowry method）检测糖类和蛋白。

5. 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析：采用荧光素异硫氰酸酯（FITC）、刀豆素A（ConA）和荧光增白剂（CW）作为蛋白、α-D-葡萄糖多糖和β-D-葡萄糖多糖的染色剂和探针。磷酸盐缓冲液（PBS）清洗掉两种活性污泥中的SMP；取50 μL排出水置于200 μL离心管；加50 μL FITC溶液浸染30 min，碳酸氢钠（1M）缓冲液调节PH至9.0；离心管中加入50 μL ConA溶液（0.25 g/L），孵育30 min；最后，在离心管中加入50 μL CW（0.3 g/L），孵育30 min（注：每一步结束后均需要用PBS缓冲液冲洗掉多余探针）。用CLSM捕获污泥样本的结构特征和EPS的组成分布。

6. 污泥絮状物与气泡接触观察：倒置荧光显微镜。

7. 微生物群落分析：16S rDNA V3-V4（338R/806F），ITS1/ITS2，illumina Hiseq 2500；物种注释数据库：RDP、SILVA和UNITE；生物信息分析：百迈客微生物多样性云平台（BMK Cloud oline）。

重要结果与讨论

1. FBS和FFS的氧转运特征

当曝气不变时，FBS的氧转运效率（OTE）急剧降低（80 mL/g-MLSS），污泥体积指数（SVI）较高（＞120 mL/g-MLSS）；FFS的OTE值保持正常，SVI值低于80 mL/g-MLSS，表明FBS污泥处理性能较差，OTE的降低可能与菌丝的膨胀有关（图1）。

图1. 倒置荧光显微镜观察下的FBS和FFS

FBS和FFS的氧转运效率均低于自来水和排出水，表明活性污泥阻碍了氧转运。污水中的悬浮颗粒物（MLSS）浓度为1800 mg/L时，FBS比FFS的溶解氧（DO）速率显著更慢，FBS和FFS的容积传氧系数（K_La₍₂₀₎）值分别为5.68和10.02 h^-1，表明相同曝气条件下的FBS氧转运速率比FFS低44.3%（图2a）。通气速率的加快显著提高了FBS和FFS的K_La₍₂₀₎值，然而FBS的K_La₍₂₀₎值和α因子值仍然低于FFS，表明具有大量丝状微生物的FBS氧转运性能比FFS差（图2b; 2c）。

图2. （a）FBS及其排出水, FFS及其排出水, 自来水氧转运试验中的溶解氧浓度（mg/L）；不同曝气条件下，FBS和FFS的（b）K_La值；（c）α-因子值；（d）FBS和FFS的溶解性微生物产物（SMPs）：蛋白和多糖浓度（mg/L）

2. 溶解氧对氧转运的影响

FBS与FFS的氧转运差异可能与微生物或其他生物产生的溶解氧有关，然而，FBS和FFS所在排出水的K_La₍₂₀₎值与自来水的K_La₍₂₀₎值相近，表明溶解氧对两种排出水的氧转运影响不明显。一般情况下，蛋白和糖类是性能良好的污水处理系统排出水中主要的SMPs，它们在FBS和FFS所在排出水中的含量均低于5 mg/L（图2d），该浓度水平一般难以对氧转运产生负面影响。尽管本文未检测生物表面活性剂，然而从自来水和两种排出水的K_La₍₂₀₎值来看，FBS和FFS的微生物合成的生物表面活性剂不足以抑制氧转运。因此，FBS和FFS的氧转运差异由生物量导致。

3. 生物量对氧转运的影响

对于FBS和FFS，MLSS＞3000 mg/L时的K_La₍₂₀₎值和α-因子显著小于MLSS＜2000 mg/L时的，当MLSS浓度相同时，FBS的K_La₍₂₀₎值总是显著小于FFS（图3a），表明除了生物量浓度以外，其他的生物特征（如：微生物种类、絮状物形态、表观粘度和生物表面特性）也会影响氧转运。研究表明，由于混和强度、曝气强度以及漫射器的型号等试验条件差异都会影响K_La值，因此α-因子与MLSS的相关性在已发表的案例中变化幅度也较大。因此，MLSS浓度和活性污泥特征（如：丝状微生物）能在很大程度上影响氧转运。

图3. FBS和FFS的MLSS与（a）K_La₍₂₀₎和（b）α-因子的相关性

4. 表观粘度、MLSS与氧转运的关系

从图2和图3来看，FBS聚集了大量丝状微生物，导致FBS的氧转运能力显著低于FFS。研究发现，反应器中OTE的降低往往伴随着丝状微生物丰度的升高，由此来看，FBS中丝状微生物的膨胀影响了氧转运。

FBS中的丝状微生物有较长的细丝（图1），这些细丝可以通过影响活性污泥的表观粘度间接影响氧转运。从图4a来看，当MLSS浓度相同时，FBS的表观粘度显著高于FFS；当MLSS浓度高于3000 mg/L时，FBS的表观粘度呈指数增长。两个反应器的排出水的表观粘度与自来水相近，表明污水中的溶解氧不影响表观粘度，推测可能是FBS中的丝状微生物增强了污水的表观粘度。一方面，表观粘度的增加会减少气泡或搅拌器上升引起的湍流，液膜更新的降低又会对气-液交界面的氧扩散产生负面影响；另一方面，随着表观粘度的增大，气泡阻力系数增大，气泡上升速度减小，氧的传递又被促进。然而，这种正向促进作用并不会抵消表观粘度的增加对氧转运的负面影响，结果将表现为K_La的减少且伴随着表观粘度的增加。因此，丝状微生物可能是通过增强活性污泥的表观粘度来抑制氧转运的。

不同于K_La₍₂₀₎值（或α-因子）与MLSS的表现关系（图3），两个污泥样本（FBS和FFS）的表观粘度与K_La₍₂₀₎值具有一致性（图4b），当表观粘度小于5 mPa·s时，K_La₍₂₀₎值和α-因子会随着表观粘度的增加而迅速降低（图4b; 4c），这种呈指数的变化与很多研究报道的结果类似。因此，表观粘度（非MLSS）是影响活性污泥氧转运的主要因素，而丝状微生物的大量存在又额外增加了表观粘度。

图4. FBS和FFS的表观粘度与（a）MLSS、（b）K_La₍₂₀₎和（c）α-因子的相关性。

5. EPS的分布以及絮状物与气泡的接触

FFS在MLSS浓度为5500-6500 mg/L时的表面粘度（2.09-2.20 mPa·s）与FBS在MLSS浓度为800-1800 mg/L时的表面粘度（1.7-2.53 mPa·s）较为接近（图4a），然而，当两者的表面粘度相等时，FBS的K_La₍₂₀₎显著低于FFS（图4b，红色虚线椭圆），表明除了表观粘度以外，丝状微生物还可能通过其他的途径阻碍氧转运。

图5. （a） FBS和FFS的胞外聚合物（EPS）浓度比较；共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）拍摄的FBS（b）蛋白，（c）α-多糖，（d）β-多糖，（e）所有EPS；CLSM拍摄的FFS（f）蛋白，（g）α-多糖，（h）β-多糖，（i）所有EPS

蛋白和多糖既是EPS的主要成分，又是污泥絮状物的重要组成部分，它们通常位于细胞壁外围，极大地影响了细菌的表面特征和絮凝能力。从图5来看，FBS的氧转运能力较差，FBS的两种胞外聚合物（蛋白和多糖）浓度均低于FFS。从图6来看，FBS的大量丝状菌菌丝直接粘附于气泡-水交界面，柔软又纤细的菌丝难以刺破气泡（图6a），因此在曝气的时候，粘附与气-液交界面的“细、长”菌丝降低了液膜更新、增加了液膜厚底，直接阻止了氧转运，导致液膜转运系数（K_L）降低；FFS的絮状物棱角分明、形态稳定，与气泡的接触面积小于FBS的丝状菌（图6b）。因此，氧转运的阻碍不仅受到表观粘度增加的影响，还受到丝状菌菌丝与气泡直接接触的影响。另外，细菌表面特性对氧转运的影响仍需要进一步研究。

图6. 静止状态下的（a）FBS和（b）FFS的污泥絮状物与气泡的接触

6. 微生物群落结构

FBS和FFS的菌群结构如图7所示。FBS和FFS含有大量的共有菌，其中丝硫菌属（thiothrix）、球衣菌属（Sphaerotilus）、古字状菌属（Runella）、meganema（甲基杆菌科分类下的属）、纤毛菌属（Leptothrix）、金黄杆菌属（chryseobacterium）、毛球菌属（Trichococcus）、黄杆菌属（Trichococcus）、isosphaera（浮霉菌科分类下的属）和浮霉菌科（planctomycetaceae）是FBS和FFS丰度排名前十的菌； FBS和FFS的优势菌存在差异，未分离培养（uncultured）的噬纤维菌（cytophagaceae）和鞘脂杆菌（sphingobacteriales）分别在FBS和FFS中丰度最高；FFS和FBS的所有菌在各自反应器的排出水中均被检测到。从图8来看，丝硫菌属（thiothrix）在FFB中的相对丰度超过8.5%，而在FFS中数量极少，丝硫菌属（thiothrix）的长菌丝（0.5-1.5 μm）会连接污泥絮状物，导致污泥降解能力降低，污水的表面粘度增加；尽管球衣菌属（Sphaerotilus）和古字状菌属（Runella）在FFS和FBS中的丰度均较高，但它们的菌丝较短，对污泥沉降、表观粘度和氧转运的负面影响较小；其他丝状细菌的丰度较低，影响程度较小。因此推测，丝硫菌属（thiothrix）就是影响FBS氧转运的最大“元凶”。从种水平来看，丝硫菌属（thiothrix）分类下的eikelboomii是FBS的优势菌，至此，“真凶”也基本确定。

图8. FBS和FFS的丝状菌的相对丰度、产生物表面活性剂菌的相对丰度

eikelboomii是污水处理系统污泥中的“常客”，它可以在高硫环境中异养生长。研究表明，与eikelboomii具有相似形态特征的其他同属菌种，以及具有长菌丝的微丝菌( Microthrix parvicella)，它们对活性污泥的表观粘度和氧转运也有负面影响。

目前，已经报道有超过30种微生物能够合成生物表面活性剂，其中3种出现在本研究的FBS和FFS样品中，它们分别是气单胞菌属（aeromonas）、肠杆菌属（enterobacter）和不动杆菌属（enterobacter）（图8）。然而，FBS中的肠杆菌属（enterobacter）和不动杆菌属（acinetobacter）相对丰度（0.24%和0.08%）明显低于FFS（0.81%和0.63%），表明FBS中细菌合成的生物表面活性剂不是降低氧转运的“主谋”。

总结

Thiothrix eikelboomii，一种常见的污泥膨胀丝状菌，能够干扰污水处理系统中的氧传递。在生物量相同的情况下，丝状菌提高了污泥的表观粘度（apparent viscosity），导致丝状膨胀污泥（FBS）比絮状污泥（FFS）的容积传氧系数（K_La）降低了43%。即使在表面粘度相同的情况下，FBS的K_La值仍低于FFS。附着于气泡表面的大量微小、自由游动的菌丝能引起液膜更新降低和液膜厚度增加，丝状菌胞外的类似表面活性剂的“两亲分子”聚合物（EPS）（蛋白、多聚糖）阻碍了氧转运，因此，菌丝特殊的表面性状及其它们与气泡的相互作用影响了氧转运。本研究发现，具有较长菌丝的丝状菌Thiothrix eikelboomii能够降低K_La值，而菌丝较短的丝状菌并不影响氧转运。污泥膨胀的控制不仅利于污泥处理，而且利于氧转运。