- 秦文韬;张冰;孙晨翔;陈湛;文湘华;
【背景】微生物是污水处理系统内污染物去除的主体,真菌作为其中不可或缺的一部分,在去除有毒化合物、提高生物转化等方面发挥着重要作用,应引起人们的关注。【目的】明确我国南北区域城市污水处理系统内真菌群落的多样性、组成差异及其影响因素。【方法】采集我国北方23个污水处理厂的90份活性污泥样品和南方37个污水处理厂的121份活性污泥样品,提取上述样本的总DNA,并应用Illumina MiSeq平台进行ITS高通量测序,结合多种数量生态学分析方法对数据进行分析。【结果】我国南北区域城市污水处理系统内真菌群落结构存在显著差异,真菌群落多样性南方显著高于北方;我国南北区域真菌群落的组成差异显著,南方群落以Sordariomycetes和Glomeromycetes为优势菌纲,以Ophiocordycep和Alternaria为优势菌属,北方群落以Tremellomycetes和Saccharomycetes为优势菌纲,以Trichosporon和Saccharomyces为优势菌属,其中Tremellomycetes和Sordariomycetes是常见的病原菌,对下游生物或者人类的健康具有潜在威胁,Trichosporon属的丝状真菌若大量异常增殖会引发污泥膨胀现象,影响系统的稳定运行;地理纬度、年平均气温、进水NH_4~+浓度、进水总氮浓度是导致我国南北区域真菌群落存在差异的重要影响因子。【结论】我国南北区域真菌群落多样性、组成存在显著差异,地理因素、所在城市的气候因素和进水污染物浓度对真菌群落结构影响显著。针对南北区域,应合理调控相应区域内的重要功能菌群,以调控污水处理厂的高效稳定运行,同时密切关注其中的条件致病菌和易引发污泥膨胀的菌群,建立面向种群的优化控制系统以管控风险。
2019年08期 v.46 1876-1885页 [查看摘要][在线阅读][下载 2065K] - 梁庆;李华华;邢德峰;
【背景】微生物电化学系统耦合了电化学反应和厌氧消化过程,在处理剩余污泥同时实现能源回收,成为具有应用前景的技术之一。揭示电活性生物膜和活性污泥种群互作机制,有助于进一步调控和强化系统性能。高通量核酸测序技术研究微生物群落具有投入大、耗时长和不可预测的缺点,开展微生物群落动态仿真可以更有效地预测群落结构与功能。【目的】研究厌氧消化和生物电化学系统的微生物种间热力学与动力学的演化规律。在考虑电子供体、电子受体、温度、pH值等生态条件下,分析底物的电子流向及微生物群落结构的动态变化。【方法】通过对剩余污泥处理的微生物电解池(Microbial electrolytic cell,MEC)建立一个多Agent仿真(Multi-agent-based simulation,MAS)模型,评估MEC对底物氧化电子转移的能量效率和传质效率,模拟微生物群落结构实时变化,同时耦合动力学和热力学分析;揭示影响MES运行的电子流向决定性因素及相应的微生物种群,为复杂污染物生物处理系统中种间互作和动力学研究提供基础依据。【结果】通过MAS模拟,确定MEC污泥处理工艺的最佳能量传递效率与传质效率为η=0.2,ε=0.5,MAS结合热力学与动力学参数模拟微生物的群落动态与实验组有较高的吻合性。在长期的运行中,微生物电化学系统中丙酮酸没有积累。【结论】证实了MAS结合热力学与动力学参数可以预测微生物的群落动态,并进行实时监测。研究表明多Agent仿真为微生物群落结构动态变化提供了一种新的研究方法,该方法与高通量核酸测序技术进行校验和联用,为人工和自然生态系统中微生物种群预测与评估研究提供一个新的手段。
2019年08期 v.46 1886-1895页 [查看摘要][在线阅读][下载 2449K] - 张晓红;姜博;张文武;陈立明;郭泓利;
【背景】活性污泥中微生物的种群结构影响着污水生物处理的高效性及稳定性,是有效保证污水处理效果的关键。【目的】研究活性污泥中细菌的群落结构组成及多样性,并分析相应菌群的主要功能,旨在更好地发挥细菌的净化作用、保持污水处理过程的稳定及提高污水的处理效率。【方法】以京津冀区域内典型市政污水厂活性污泥为研究对象,通过IlluminaMiSeq高通量测序及实时定量PCR技术,对5个污水厂活性污泥的微生物种群结构特征进行了详细解析,研究不同工艺参数下活性污泥中优势种群及脱氮菌群丰度的差异。【结果】5个污水厂活性污泥种群结构具有一定差异,其中Hengshui (HS)厂污泥的群落结构受温度的影响最大,而Shahe (SH)、Daoxianghu (DXH)、Nangong(NG)厂活性污泥群落结构则受总氮、总磷与氨氮的共同影响,氨氮对SH厂活性污泥种群结构影响最大。DXH、NG和HS厂污泥中优势菌均为Anaerolineaceae,而SH和Hejian (HJ)厂的优势菌则为Saprospiraceae与Lactobacillus。活性污泥中反硝化菌丰度最高的为HJ厂,丰度最低的为HS厂,反硝化功能基因nirS比nirK分布更为广泛。【结论】对于不同污水厂,影响其活性污泥群落结构组成的环境因素也是不同的,并且特殊的进水水质也会对污泥菌群组成和生物多样性产生影响。
2019年08期 v.46 1896-1906页 [查看摘要][在线阅读][下载 2079K] - 闫潇;刘兴宇;张明江;崔兴兰;钟娟;胡学武;
【背景】从活性污泥中分离出一类具有硫酸盐还原能力的菌株,探讨了其用于铅锌冶炼渣重金属污染修复的可行性。【目的】研究硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria)对铅锌冶炼渣中重金属的固化作用。【方法】将从活性污泥中分离出的硫酸盐还原菌接种到铅锌冶炼渣中进行修复,采用X射线衍射、Tessier、电感耦合等离子体发射光谱仪检测、高通量测序等方法进行实验。检测铅锌冶炼渣中矿物组成,以及修复过程中重金属化学形态、各金属离子浓度和微生物群落结构的变化。【结果】修复实验表明,体系中电位降低、pH值提高、各重金属稳定态增加、离子浓度降低且微生物群落结构变化显著,硫酸盐还原菌成为优势菌群。【结论】接种硫酸盐还原菌后铅锌冶炼渣中的重金属原位固化效果显著,从而降低生物可利用性,将恶性循环变为良性循环,所以硫酸盐还原菌可用作重金属污染修复的固化药剂。
2019年08期 v.46 1907-1916页 [查看摘要][在线阅读][下载 1552K] - 李昂;马放;张栋俊;邢路路;孙移鹿;陈翰;
【背景】低碳氮比生活污水很难达标处理,多级A/O工艺、生物强化技术及生物膜技术的有机结合可有效解决这一问题。【目的】开发出一种泥膜共生多级A/O工艺并进行中试研究,驯化出高效脱氮除磷菌剂并对系统进行生物强化。【方法】通过测定中试设备出水及污水处理厂出水化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)、氨氮(NH_4~+-N)、硝氮(NO_3~--N)、总氮(Total nitrogen,TN)、总磷(Total phosphorus,TP)对比分析两种工艺的污染物去除效能,利用高通量测序技术对比生物强化技术对系统微生物群落结构的影响。【结果】中试设备对COD、NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP的去除效果均优于污水处理厂的处理工艺;驯化的低温好氧反硝化菌TN去除率最大值可达84.21%,驯化的低温反硝化聚磷菌群对磷的去除率最高可达85.75%;利用驯化菌群对中试设备进行生物强化后较好地改善了系统NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP的去除效果;经生物强化后,具有好氧反硝化和反硝化聚磷功能的Pseudomonas菌群明显增多。【结论】泥膜共生多级A/O工艺对于低碳氮比生活污水的处理具有很好的效果,利用生物强化技术可有效提高低温条件下系统污染物去除效能。
2019年08期 v.46 1917-1926页 [查看摘要][在线阅读][下载 2332K] - 吕心涛;蒋勇;孟春霖;张树军;谷鹏超;杨岸明;王佳伟;韩晓宇;
【背景】稳定短程硝化是实现城市污水厌氧氨氧化技术的瓶颈,目前国内外关于游离亚硝酸(Free nitrous acid,FNA)对硝化菌活性的影响大多是在曝气条件下进行研究,鲜有关于缺氧条件下FNA对硝化菌活性影响的报道。【目的】探究好氧和缺氧下FNA对氨氧化菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和亚硝酸盐氧化菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB:Nitrospira和Nitrobacter)活性的抑制影响。【方法】采用序批式反应器(Sequencing batch reactor,SBR),基于混合液悬浮固体浓度(Mixed liquid suspended solids,MLSS)为8 300 mg/L的全程硝化污泥条件,通过批次试验分别考察好氧和缺氧下FNA(初始浓度为1.16 mg/L)处理48 h后,AOB和NOB活性的变化情况。【结果】好氧FNA处理活性污泥48 h后,FNA浓度维持在1.16-1.17 mg/L,游离氨(Free ammonia,FA)浓度小于0.017 mg/L,AOB、Nitrospira、Nitrobacter丰度均未发生明显变化;过曝气至99 h时,与空白组相比,比氨氮氧化速率(r~+_(NH4-N))、比亚硝酸盐氮氧化速率(r_(NO2-N))均出现小幅下降,分别由3.5、4.828 mg N/(g VSS·h)降至3.3、4.668 mg N/(g VSS·h),且亚硝酸盐氮累积率(Nitrite accumulation rate,NAR)始终低于33.2%。缺氧FNA处理活性污泥48 h后,FNA浓度维持在0.64-1.16 mg/L,FA浓度低于0.039 mg/L,AOB丰度变化较小,而Nitrospira、Nitrobacter丰度均明显下降,分别由3.002 9×10~9、4.245×10~8 copies/g VSS降至1.666 5×10~8、5.163 8×10~7 copies/g VSS;过曝气至99 h时,与空白组相比,r~+_(NH4-N)值下降幅度较小,而r_(NO2-N)值明显降低,由4.828 mg N/(g VSS·h)降至0.007 mg N/(g VSS·h),且在过曝气0-292 h内,NAR均大于94%。【结论】好氧FNA处理活性污泥48 h后对AOB和NOB无明显抑制作用,但缺氧FNA处理活性污泥48 h后对AOB具有轻微抑制作用,而对NOB具有强烈的抑制作用,可以实现稳定的短程硝化。
2019年08期 v.46 1927-1935页 [查看摘要][在线阅读][下载 1285K]
- 宋阳;姜成英;王爱杰;刘双江;
城市污水处理厂运行过程中一旦发生活性污泥生物泡沫,就会影响污泥沉降和处理厂运行效能,对出水水质、作业安全和公共健康带来一系列挑战。生物泡沫是自活性污泥法诞生以来长期困扰污水处理厂运行的难题。生物泡沫的形成需要气泡、表面活性物质和疏水物质等3点基本的要素,在其中主要富集了诺卡氏型丝状细菌(Nocardioformfilamentousbacteria)和微丝菌(Candidatus Microthrix parvicella)这两种类型微生物。多种环境和运行因素包括温度、溶解氧、pH、污泥龄、特别是营养物质种类和浓度等均会对这些丝状微生物的生长产生影响。抑制丝状细菌生长的常用控制策略包括选择器、生长动力学控制、投加化学药剂以及噬菌体等方法,通过降低两类丝状细菌在生化池中的浓度以期消除生物泡沫现象。本文总结了生物泡沫的类型、成因、表征生物泡沫程度的指标、影响生物泡沫的环境因素以及常用的调控策略的原理及优缺点等,尽可能全面地介绍活性污泥生物泡沫的研究现状,并探讨未来研究方向和控制策略,期望能够为今后研究活性污泥微生物和污水处理厂运行调控提供有价值的参考。
2019年08期 v.46 1954-1970页 [查看摘要][在线阅读][下载 1919K] - 王萍;余志晟;
活性污泥法由于操作简单、处理效果好被广泛应用于市政污水和工业废水的处理。污泥膨胀和污泥发泡现象影响二次沉淀池的泥水分离过程和生物反应池的微生物量稳定,严重困扰着污水处理厂的正常运行,被称为污水处理厂的"癌症"。本文从污泥膨胀和污泥发泡的定义及分类出发,全面地比较了表征污泥膨胀和污泥发泡的方法、引起污泥膨胀和污泥发泡的丝状细菌种类及控制污泥膨胀和污泥发泡方法的异同,并探讨了污泥膨胀和污泥发泡问题的未来研究方向和控制策略,期望能够为今后污泥膨胀和污泥发泡问题的研究和调控提供有价值的参考。
2019年08期 v.46 1971-1981页 [查看摘要][在线阅读][下载 1176K] - 马博言;刘缨;刘志培;
活性污泥法随着技术的成熟,已应用在高氨氮污水/废水处理中,通过不断发展衍生出的很多新型工艺也成为研究热点,短程硝化反应作为代表已逐渐体现出优越性。短程硝化能达到高效净化污水的目的,其反应中的代谢产物羟胺也和微生物类群及反应产物之间有着至关重要的影响。反应器中活性污泥的微生物群落结构和动态密切相关,探究微生物群落结构能帮助生物强化、优化参数,提高脱氮效率。本文主要总结了近年来有关短程硝化/半短程硝化活性污泥微生物群落组成与结构及其与反应器处理效率之间的关系,以及羟胺代谢对短程硝化的影响等方面的研究进展,这些研究加深了对微生物群落结构和污水处理工艺之间的认识,但充分发掘生物信息、提高工艺效能之路仍然充满挑战,还需利用氮平衡方法、Real-time PCR法等多种生物技术手段对短程硝化进行全方位研究,为实践提供坚实的理论基础。
2019年08期 v.46 1982-1987页 [查看摘要][在线阅读][下载 1143K] - 许冬冬;康达;郭磊艳;郑平;
厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺是一种新的生物脱氮技术。一经问世即得到人们青睐,现已成为废水脱氮的升级技术。厌氧氨氧化菌(Anaerobicammoniumoxidation bacteria,AnAOB)是Anammox工艺的功能之源。以颗粒污泥形态存在的AnAOB是Anammox颗粒污泥床脱氮系统的重要支柱。由于AnAOB生长缓慢且对环境条件变化敏感,Anammox脱氮系统不仅启动缓慢,而且运行极易失稳甚至崩溃。值得庆幸的是,AnAOB可自主选择、组合和固定功能菌群落而形成Anammox颗粒污泥,并通过其优良的重力沉降性能和高效的基质转化性能保障Anammox脱氮系统的持续工作。本文综述了AnAOB的种类和特性及Anammox颗粒污泥的组成、结构和功能,以期为Anammox工艺的优化和拓展提供参考。
2019年08期 v.46 1988-1997页 [查看摘要][在线阅读][下载 2171K] - 姜谦;张衍;刘和;
添加导电碳颗粒能够促进厌氧消化过程稳定性、底物降解率以及产沼气品质的同步提高。本文总结了以活性炭和生物炭为代表的导电碳颗粒对城市污泥厌氧消化的影响,探讨了导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的机理,阐述了导电碳颗粒介导的微生物直接种间电子传递(Directinterspecies electrontransfer,DIET)在强化污泥厌氧消化中的作用机制,分析了复杂厌氧消化体系中微生物DIET互营关系的研究现状,同时对导电碳颗粒的物理化学特性及其对污泥厌氧消化产甲烷的影响进行了分析,最后对未来导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的研究进行了展望。
2019年08期 v.46 1998-2008页 [查看摘要][在线阅读][下载 7144K] - 李炳堂;胡智泉;刘冬啟;吴丁山;
活性污泥是污水处理厂生物处理工艺的功能主体,活性污泥中菌群的种类、数量及活性是提高污水处理能力与效果的重要基础。本文综述了活性污泥处理工艺中的主要功能细菌(絮凝菌、脱氮菌、除磷菌等)生物群落的多样性与生态特征,并对目前主流的菌群鉴定方式进行总结,最后从运行条件、定向驯化及生物强化3个方面对菌群调控进行论述,以期为活性污泥法污水处理工艺提供一些理论指导。
2019年08期 v.46 2009-2019页 [查看摘要][在线阅读][下载 1367K] - 王彬浩;关晓彤;颜庆云;贺志理;
随着有机氟化物在各领域的广泛应用,含氟有机废水处理面临巨大挑战。活性污泥作为有机废水处理的核心技术之一,微生物在其中发挥着极其重要的作用。本综述首先聚焦在活性污泥微生物群落多样性、组成、结构和功能及其与含氟废水类型、处理工艺和处理效率之间的关系,进而讨论了功能微生物降解/转化有机氟化物的途径和作用机制,最后展望了结合分离培养降解有机氟化物的关键微生物,以及微生物组学技术解析活性污泥微生物群落构建、互作、代谢等核心问题,以提高对含氟有机废水微生物降解机理的认识,优化含氟有机废水处理工艺。
2019年08期 v.46 2020-2037页 [查看摘要][在线阅读][下载 2749K] - 鞠峰;张彤;
活性污泥是全球最常用的废水生物处理人工生态系统,微生物是驱动其污染净化能力的关键。活性污泥微生物群落所有物种与基因(简称"微生物组")的研究先后经历了"显微镜观察和纯菌培养分离"(1915)、"PCR扩增-测序"(1994)和"高通量测序-宏组学分析"(2006)三个重要阶段的发展变迁。相应地,我们对活性污泥微生物组的认知经历了从最早对微型动物(如钟虫和轮虫)及其他微生物的形貌观察和纯种培养鉴定到今天对整个微生物组的全局多样性认识的飞跃。近13年来,基于高通量测序的宏组学方法被广泛应用于揭示活性污泥微生物群落组成结构和功能,我们现在充分意识到活性污泥微生物组蕴藏着大量不可培养新物种和基因多样性,驱动着各类污染物的降解与转化。目前,特异性分子标记基因的扩增子测序技术已经被广泛应用于揭示城市和工业废水处理活性污泥微生物组和典型功能种群(如硝化细菌和聚磷菌)的时空多样性和群落构建机制,进而为未来实现活性污泥微生物组功能的精准调控奠定理论基础。宏基因组学研究在群落、种群和个体基因组水平全面解析了活性污泥微生物组驱动的碳、氮、磷元素循环过程,以及有机微污染物的生物降解和转化机理。将来活性污泥微生物组学研究需要在"标准化的组学分析方法和绝对定量""高通量培养组学""高通量功能基因组学"和"多组学方法的结合及多种方法并用"4个方面取得实现精准生态基因组学所需的技术突破,以最大限度发掘活性污泥微生物组在污水处理与资源回收领域的生态学与工程学价值。
2019年08期 v.46 2038-2052页 [查看摘要][在线阅读][下载 2831K] - 余泽晖;梁志伟;李浩聪;鲁祺鸿;汪善全;
污泥厌氧消化是在消化污泥微生物组的协调下将剩余污泥中有机物转化为甲烷的微生物过程。与传统厌氧消化过程不同,污泥厌氧消化系统的进料底物为含有大量微生物细胞及胞外多聚物等复杂大分子有机物的剩余污泥。因此,厌氧消化污泥微生物组的种群组成、功能及种群间互作关系等异常复杂,使厌氧消化污泥微生物组分析成为难点问题。但近年来高通量测序技术及生物信息学分析方法的快速发展为消化污泥微生物组研究提供了契机,并迅速推动了该研究领域的发展。本文从4个方面梳理、总结厌氧消化污泥微生物组的研究及应用现状:剩余活性污泥结构、组成及其厌氧消化;基于16SrRNA基因序列测序的微生物组研究;基于宏基因组及宏转录组分析的微生物组研究;厌氧消化污泥微生物组研究案例分析。最后我们提出了厌氧消化污泥微生物组研究亟待解决的关键科学问题。
2019年08期 v.46 2053-2068页 [查看摘要][在线阅读][下载 2913K] - 安新丽;苏建强;
抗生素抗性在全球范围内的传播扩散严重威胁人类健康。活性污泥是污水处理系统重要的处理工艺,同时也是抗生素抗性及其发生水平基因转移的一个重要储库和热区。目前,随着研究手段和技术的不断更新,活性污泥中抗生素抗性的研究不断增加,但是仍有许多科学问题亟待解决。本文主要针对活性污泥抗生素抗性的5个主要方面进行深入讨论:(1)活性污泥中抗性基因的丰度和分布的影响因素;(2)污泥抗性基因的研究方法;(3)活性污泥抗性基因的传播与扩散;(4)污泥中抗性基因环境风险评估;(5)研究展望。本综述在活性污泥抗生素抗性研究基础上,阐述了驱动抗生素抗性扩散的基本微生物生态过程研究进展,旨在为污水处理工艺的发展和优化及抗性基因控制政策的制定提供科学基础。
2019年08期 v.46 2069-2079页 [查看摘要][在线阅读][下载 1158K] - 邱东茹;高娜;安卫星;余佃贞;夏明;
活性污泥法是借助活性污泥微生物菌胶团形成来实现泥水重力分离和部分污泥回用,辅以曝气供氧,在曝气池中高密度的微生物细胞可将溶解性有机污染物迅速降解、转化后为己所用,外排的剩余污泥带走大量有机质和氮磷,水质得以净化。活性污泥微生物所合成的胶质状胞外多聚物(Extracellular polymeric substances,EPS)是污泥菌胶团形成必不可少的"黏合剂",吸水性极高,这也造成剩余污泥难以处置和利用。我们初步总结了活性污泥微生物宏基因组研究概况,利用分子遗传学和基因组学手段,对活性污泥优势种动胶菌(Zoogloea)和其他菌胶团形成菌的EPS生物合成途径和菌胶团形成与调控机制加以研究,鉴定出一个约40 kb的胞外多糖生物合成大型基因簇和一个由7个基因组成的小型基因簇,该基因簇中除胞外多糖合成相关基因外,还编码组氨酸激酶Prs K和反应调节蛋白Prs R双组分系统,可激活RpoNσ因子共同调控一类称之为PEP-CTERM的新型胞外蛋白质的表达,参与菌胶团的形成。PEP-CTERM富含天冬酰胺(缩写为Asn或者N)残基,可能与胞外多糖通过N-连锁的糖基化形成复合物,包裹微生物细胞群体来介导菌胶团的形成。类似的PEP-CTERM基因和胞外多糖合成基因簇在许多重要的活性污泥细菌如聚磷菌和全程氨氧化菌中存在,说明这些细菌也是菌胶团形成菌,可通过污泥沉淀和回用在活性污泥中得以富集。这些研究结果可供活性污泥膨胀控制、污泥减量和剩余污泥资源和能源回收利用参考。
2019年08期 v.46 2080-2089页 [查看摘要][在线阅读][下载 1881K] - 宋建华;杨永刚;胡文哲;陈乐天;许玫英;
活性污泥含有多种微生物,是废水处理系统中污染物降解转化的重要驱动者。电活性微生物(Electroactive microorganisms,EAMs)是活性污泥的重要微生物类群,在废水资源化与能源化中发挥着核心关键作用。本文概括了活性污泥中EAMs的富集和筛选方法,整理总结了目前已从活性污泥中获得的EAMs菌种资源信息,在此基础上分析了从活性污泥中富集和筛选EAMs所存在的问题,并进一步展望了未来的研究方向,以期加速EAMs菌种资源的挖掘,促进以EAMs为主导的废水资源化与能源化技术发展。
2019年08期 v.46 2090-2100页 [查看摘要][在线阅读][下载 2445K]