A～2/O固定生物膜法焦化废水处理系统群落空间演替模式的系统轨迹分析及应用

【摘要】： 废水生物处理系统本质上是一种工程化微生态系统。废水处理过程往往由多个功能互补的反应器协同完成,例如在废水处理中得到广泛应用的厌氧-缺氧-好氧(A1-A2-O)系统。反应器群落之间的相互关系和相互作用决定了废水处理系统所特有的群落时空演替模式。废水处理系统的群落时空演替模式与系统的处理效率密切相关,因此研究系统的群落时空演替模式对于优化废水处理系统的设计和操作都具有非常重要的指导意义。但是,以往对于废水处理系统中微生态系统的解析多数都是针对其中个别反应器独立进行的,还缺乏从系统水平上对整个废水处理系统中所有反应器群落进行分析的研究。 A1-A2-O固定生物膜法是目前处理工业焦化废水的常用工艺之一。上海某焦化厂构建了一套A1-A2-O固定生物膜法焦化废水工业处理装置,由于长期不明的故障,该装置的COD和氨氮的排放均远未能达到国家标准(平均去除率分别只有54%和-106%),但是按照同样工艺构建的一套实验室装置为参比系统,其COD和氨氮均能达标排放(平均去除率分别为85%和95%)。通过对系统内所有反应器的16S rDNAPCR-DGGE图谱进行主成分分析(principal component analysis,PCA)可以对系统的群落空间演替进行系统轨迹分析。使用基于这种系统群落空间演替的系统轨迹分析策略,我们实现了对工业装置的故障诊断和功能恢复,并且通过群落结构的分子分析对故障恢复的机制进行了探讨。具体内容包括四个部分: 首先我们把出现故障的废水处理系统作为一个遭到破坏的且需要实施生态修复的生态系统(未知故障系统),而把回流条件下(回流比3:1)的和不回流条件下的实验室装置分别作为参比系统和已知故障系统,对这三个系统的群落空间演替模式进行了系统轨迹的分析比较。通过系统轨迹的分析比较,发现参比系统有着连续、方向明确的空间群落演替模式而工业装置的空间群落演替A2池以后几乎完全停滞即好氧池的群落结构几乎与缺氧池完全一致。因为好氧池与缺氧池的最大差别在于氧气的供应,所以生物膜没有得到充分的供氧很可能是造成工业装置故障的原因。工程测定的结果进一步说明生物膜供氧不充分是由于曝气装置的安装问题引起的。当所有故障都排出以后,与参比系统相似的空间群落演替模式在工业装置中建立起来。为了找到驱动群落空间演替的重要微生物种群,我们对参比系统A2池到O4池的群落演替轨迹作了PCA载量分析并对主成分载量高的DGGE条带做了鉴定,结果表明Nitrospira属和Thauera属是群落演替中最重要的种群。实时定量PCR的结果表明Nitrospira属取代Thauera属成为群落中的优势种群是正常群落空间演替的主导过程。对废水处理系统时空群落演替的系统轨迹分析不但可以用来帮助诊断系统故障出现的位置和原因,而且还能帮助我们找到促进系统生态恢复的关键启动条件。 通过群落空间演替模式的比较,我们发现在不回流条件下实验室系统中A2池以后的群落空间演替发生了明显迟滞,所以可以通过比较实验室系统在回流(LR)和不回流(LNR)两种操作条件下群落结构的变化来研究回流操作对于系统群落结构的影响。16S rDNA V3 PCR-DGGE指纹图谱的聚类分析表明回流会使系统内不同反应器群落之间的相互关系发生改变,其中对A2池的影响最大:回流之前,A2与A1的群落结构基本完全相似(相似性为97%),而回流以后A2池与O1池的群落结构相似性从回流前的31.8%提高到93%,,这表明回流操作对于废水处理中系统微生物系统的影响是全局性的和整体性。进一步通过比较回流前后A2池16S rDNA克隆文库的组成差别,发现在回流的作用下A2池群落转变的过程中,与Thauera aromatica和Thiobacillus denitrificans等相关的反硝化菌取代了与Desulforhabdus属等相关的硫酸盐还原菌成为A2池群落中的优势种群。据文献报道,Thauera aromatica与芳香族化合物的降解密切相关,因此与Thauera aromatica相关的种群可能对回流后A2池COD去除能力的大幅提高起了积极的作用。因为不同操作条件下系统内不同反应器群落之间的群落存在不同的相互关系,所以群落时空演替轨迹是研究操作条件对系统群落结构影响的良好工具,对群落结构的优化有着重要的指导意义。 为了进一步理解工业装置的故障原因,我们对工业装置和回流条件下的实验室装置O2池生物膜的16S rDNA克隆文库作了详细的比较,结果表明工业装置和实验室装置好氧池群落结构存在显著的差别。LR O2文库中硝化菌的组成说明Nitrosomonas europaea-Nitrosoccus mobilis类群和Nitrospira属的I亚系分别是该工艺条件下重要的氨氧化菌和亚硝酸氧化菌,但是I O2文库中没有与硝化菌序列相近的克隆,这说明工业装置硝化菌的种群水平很低,因此导致工业装置的NH3-N去除能力低下。另外,虽然工业装置的COD去除效率要远低于实验室装置,但是与COD降解相关的Thauera属种群在工业装置中的多度(在文库中的比例为10.1%)却要远高于实验室装置(在文库中的比例为3.2%),这说明工业装置中虽然并不缺乏降解COD的功能种群,但是由于生物膜供氧不足使得这些微生物种群不能高效地降解COD,同时也说明用单一的功能菌群数量来监测系统的功能有可能导致错误的结论,而系统的群落空间演替模式能够更为可靠地反映系统的运行状态。 最后,将基于LP-RAPD (Long Primer-Randomly amplified polymorphic DNA)的微生物群落探针杂交技术应用于废水处理系统中微生物群落结构动态变化的监测,并据此来寻找与系统功能相关的基因组片段(指纹图谱的条带)。在回流的操作条件下,实验室装置A2池对COD去除的贡献率较不回流条件下提高了6.5倍,与此同时,A2池的LP-RAPD指纹图谱也发生了剧烈的变化。通过群落结构探针杂交找到了一条同源条带,在回流的条件下该条带出现在A2池和O池的指纹图谱中,而在不回流的条件下则仅存在于O池的指纹图谱中。从该条带中克隆到了一条占绝对优势的基因组片段(B3片段),该基因组片段在GeneBank中没有找到任何同源的DNA序列,这表明B3很有可能是宿主微生物的专一性基因组片段。使用实时定量PCR对该片段的多度进行了测定,结果表明B3片段在A2池的多度在回流条件下是不回流条件下的69倍,而A2池COD去除的贡献率也提高了6.5倍,这说明B3片段的宿主微生物与A2池的COD去除能力相关,同时B3片段在实验装置中的空间分布模式和出现故障的工业装置之间也存在明显的差异,这说明B3片段的分布模式具有对类似系统进行监测的潜力。另外,在今后尝试分离B3片段的宿主时,B3片段还可以提供序列引导的帮助。 本研究通过对A1-A2-O固定生物膜法焦化废水处理工业装置和实验室装置群落空间演替轨迹的比较分析,找到了工业装置的故障位置和原因,成功地对工业装置进行了功能恢复。微生物群落时空演替模式作为工程化微生态系统的重要属性,对其进行的系统轨迹分析在废水生物处理系统的优化和控制中都有重要的指导意义。