微生物膜法处理高含盐废水的细菌群落特征

微生物膜法处理高含盐废水的细菌群落特征∗卜魁勇1㊀帅异莹2㊀周少雄1㊀郭巍3㊀程萍1㊀李平原1㊀章春芳2(1.新疆科力新技术发展股份有限公司㊀新疆克拉玛依834000;㊀2.浙江大学海洋学院浙江舟山316021;㊀ 3.新疆油田分公司重油开发公司㊀新疆克拉玛依834000)㊀㊀摘㊀要㊀新疆某油田公司某污水处理站采用生物膜法处理高含盐废水,经过2个月的运行调试,该生物处理系统能稳定高效地去除废水中COD㊁石油类㊁氨氮㊁BOD 以及硫化物㊂为了了解该好氧接触氧化处理系统中起主要作用的微生物种群,采用高通量测序技术分析了接触氧化池在不同阶段(调试期和正式运行期)与不同级别氧化池中微生物膜的细菌群落结构,并分析了其功能分区㊂㊀㊀关键词㊀高含盐废水㊀好氧接触氧化池㊀细菌群落结构㊀CODCharacteristics of Bacterial Community in High -salinity WastewaterTreatment Plant by Biological Contact OxidationBU Kuiyong 1㊀SHUAI Yiying 2㊀ZHOU Shaoxiong 1㊀GUO Wei 3㊀CHENG Ping 1㊀LI Pingyuan 1㊀ZHANG Chunfang 2(1.Xinjiang Keli New Technology Development Co.,Ltd.㊀Karamay ,Xinjiang 834000)Abstract ㊀A Xinjiang oilfield company applied biological treatment system to treat high -salinity wastewater.After two months of operation,the biological treatment system can stably remove COD,petroleum pollutants,ammonia ni-trogen,BOD,and sulfide efficiently.To understand the microbial population that played a major role in the system,high -throughput sequencing technology was used to analyze the microbial community structure at different running sta-ges.The bacterial community structure and its functional partitions were also analyzed.Key Words ㊀high -salinity wastewater㊀biological contact oxidation pond㊀bacterial community structure㊀COD0㊀引言新疆某油田采用注蒸汽开采方式,其锅炉污水软化装置的离子交换树脂再生产生大量含盐废水,日排放量近4800m 3㊂该含盐废水矿化度为11000~15000mg /L,温度为45~50ħ㊂据水质调查分析,发现该外排含盐废水COD㊁硫化物存在超标㊂为了不造成环境污染,必须对这些废水进行处理㊂生物法处理高含盐废水具有经济方便㊁环境友好等特点,是目前比较认可的处理方式㊂废水的生化处理过程就是微生物在其自身的新陈代谢过程中分解或降解污染物的过程[1]㊂微生物膜法以其不需要通过膜过滤维持微生物量的优势,广泛应用于大流量的废水处理站㊂新疆油田公司六九区污水处理站采用 接触氧化+氧化塘 处理工艺,设置3级接触氧化池,新建1座氧化塘,利用微生物和菌藻的协同作用使废水得到净化㊂其中,接触氧化池主要是利用微生物膜的代谢作用,降低高含盐废水的COD㊁挥发酚㊁含油量㊂为了了解该接触生物氧化池中微生物膜的细菌群落结构变化及功能细菌空间分布情况,本研究以2017年9月调试期与2017年11月正式运行期间的3个级别的氧化池中层填料(3m)上的微生物膜为研究对象,采用高通量测序技术,分析了细菌的群落结构特征及功能细菌的分布情况㊂1㊀材料与方法1.1㊀含盐废水生物处理系统为处理新疆某油田供热站及集中软化站软化装置再生排放的含盐废水(氯离子质量浓度为1660~3457mg /L),新疆某油田于2017年建成了处理规模为4800m 3/d 的接触氧化池㊂接触氧化池分为3级,每级4个氧化池,主要是利用微生物的代谢作用对高含盐废水进行处理㊂供气采用盘式微孔曝气器,每个供气量1.5~3m 3/h㊂1.2㊀微生物膜样品采集∗基金项目:克拉玛依市重大科技专项(2018ZD003B),新疆科力新技术发展股份有限公司技术开发(合作)项目(K17-529102-004)㊂㊃29㊃㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀工业安全与环保㊀㊀㊀㊀Industrial Safety and Environmental Protection ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2019年第45卷第8期August 2019㊀㊀在2017年9月调试与11月正式运行期间,选取1~3级接触氧化池中的1号氧化池,将预先悬置于氧化池中的生物填料从氧化池中提出,于3m处(中部)剪取微生物膜样品,样品命名规则为月份-级别,分别为9月1级㊁9月2级㊁9月3级㊁11月1级㊁11月2级㊁11月3级㊂将取得的微生物膜样品放置于冻存管中并及时放置于液氮罐中保存至DNA提取并进行高通量测序㊂1.3㊀PCR扩增和高通量分析提取微生物总DNA并通过0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量,同时采用紫外分光光度计对DNA进行定量㊂目标基因片段采用的细菌测序引物为V3-4F/4R,扩增产物通过2%琼脂糖凝胶电泳进行检测并切胶回收㊂参照电泳初步定量结果,将PCR扩增回收产物进行荧光定量㊂根据荧光定量结果,对各样本按相应比例进行混合㊁制备测序文库,最后上机进行高通量测序㊂2㊀结果与讨论2.1㊀废水处理站生物处理效果2017年9月调试期和12月正式运行期接触氧化池进出水水质对比如表1所示㊂通过数据分析,可以发现从调试到正式运行的4个月中,尽管进水pH波动较大,但该生物接触氧化池依然取得了较稳定的废水处理效果㊂其中,COD㊁BOD㊁石油类㊁氨氮以及硫化物的平均去除率分别达到了65.4%,46.6 %,54.9%,79.2%和62.1%㊂表1㊀2017年9-12月接触氧化池进㊁出水水质mg/L(pH值除外)水质指标pH值COD BOD5石油类氨氮硫化物进水范围 6.5~7.9200~3007.8~35 2.6~8.2 4.0~17.90~3.08出水范围 6.0~7.841~1137.4~29.80.7~6.70.2~7.30~2.64㊀㊀同时,我们对2017年9月调试期间与11月正式运行期间各项水质指标的降解率进行了分析,结果如表2所示㊂可以看出,11月正式运行后各项水质指标降解率相比调试期间有较大幅度的提高,说明该废水处理站生物接触氧化池调试成功,适用于高含盐废水的生物处理㊂表2㊀2017年9月与11月接触氧化池的降解率9月11月COD降解率45.5%ʃ0.1667.3%ʃ0.15 BOD5降解率25.7%ʃ0.0932.3%ʃ0.12石油类降解率40.85%ʃ0.268.37%ʃ0.07氨氮降解率70.2%ʃ0.2392.4%ʃ0.04硫化物降解率68.8%ʃ0.1883.0%ʃ0.19 2.2㊀微生物膜的细菌多样性高通量测序分析获得细菌16s rRNA基因序列数及不同月份与级别氧化池中的微生物膜细菌的多样性指数㊂结果显示,9月1级㊁9月2级㊁9月3级㊁11月1级㊁11月2级㊁11月3级分别有28685, 31402,28097,29342,34783,30836条序列㊂基于97%的相似性,在门水平上分别聚类成个1336, 1558,1321,1138,1570,1353个OTU㊂同级氧化池在不同月的ACE和Chao1指数表明,调试期(9月)各级氧化池内细菌的物种丰富度与运行期(11月)相近;对比同月不同级氧化池的ACE和Chao1指数发现,9月调试期间,随着氧化池级别的增加,细菌的物种丰富度几乎不变,而11月正式运行期间,随着氧化池级别的增加,细菌的物种丰富度先增加后减少㊂Shannon指数分析表明9月细菌群落多样性略高于11月,同月不同级氧化池内细菌群落多样性相近㊂2.3㊀微生物膜处理系统中细菌群落结构变化细菌群落结构在门水平上的分布如图1所示㊂总的来说,不同运行阶段细菌群落结构变化不大㊂此外,随着氧化池级别的增加,细菌群落结构无明显变化㊂但可以看出,随着驯化时间的增长,同级氧化池的细菌多样性降低㊂该生物氧化池中优势门主要有Proteobacteria(变形菌)㊁Chloroflexi(绿弯菌)㊁Bacteroidetes(拟杆菌)㊁以及Planctomycetes(浮霉菌)㊂在9月和11月1~3级氧化池中,变形菌与绿弯菌均是优势门,数量占总丰度的范围分别为38.7% ~67.9%与13.2%~26.8%㊂有报道表明变形菌与氨氧化㊁固氮以及铁氧化有关[2-4]㊂绿弯菌广泛存在于1~3级氧化池中㊂有研究报道绿弯菌对多种废水处理㊁生物源营养物质去除㊁生物反应器中糖类和其他如氨基酸等细胞组分的降解都有重要作用[5-7]㊂因此我们推测,绿弯菌在该氧化池中可能主要与死细胞分解及促进微生物膜生长㊁完成微生物膜挂膜有关㊂拟杆菌只在9月的1~3级氧化池中作为优势门,数量占总丰度的范围为2.0%~6.1%㊂有研究报道拟杆菌与降解高分子量化合物㊁产粘着蛋白调节微生物附着中扮演重要角色[8]㊂据此,拟杆菌可能在微生物挂膜期间因外加营养盐丰富而增长为优势门,并对挂膜期间微生物膜的形成起重要作用㊂浮霉菌只在9月㊁11月2~3级氧化池中作为优势门,数量占总丰度的4.4%~13.2%;有报道发现浮㊃39㊃霉菌与海洋环境中硫化聚合碳的降解[9]㊁氮化合物去除㊁硫酸化碳水化合物(如软骨素)的代谢[10]有关㊂且在海洋氮循环㊁废水处理㊁厌氧氨氧化中有重要作用[11],推测其在该废水处理站的2~3级氧化池中可能扮演着重要的氮化合物去除作用㊂图1㊀细菌在门水平上随氧化池运行阶段及氧化池级别的群落结构变化㊀㊀在属水平上,细菌群落结构如图2所示,细菌群落结构差异较大㊂总的来说,随着调试时间的推进,同级氧化池的细菌多样性降低㊂同一运行阶段,随着氧化池级别的增加,细菌多样性降低㊂主要的优势属有Citreimonas㊁Hydrogenophaga(噬氢菌属)㊁Rhodobacter(红杆细菌)㊁Sphaerotilus(红杆细菌)㊂Citreimonas在9月2~3级作为优势属,而在11月时成为广泛存在于1~3级的优势属,且数量由占总丰度的5.0%~6.8%增加至12.8%~16.5%㊂有研究表明Citreimonas是硝化和厌氧氨氧化污泥中的优势属,可能与含氮物质转化过程有关[12],推测其在该废水处理站的3个级别的氧化池中主要完成硝化及氨氧化过程㊂噬氢菌属㊁红杆细菌㊁以及红杆细菌均只在9月1级作为优势属㊂其中,噬氢菌与多羟基烃酸降解有关[13],红杆细菌与萘㊁苯酚㊁烷基酚和多环芳烃降解有关[14-15];红杆细菌与多糖降解[16]㊁石油烃降解[17]有关㊂这些降解相关的微生物随着该高含盐废水处理站正式运行停止外加营养盐之后数量逐渐降低,有些甚至消失,其原因可能是该废水COD较低,可生化性差,不足以提供这些菌属微生物生长所需的营养㊂Defluviicoccus和Ilumatobacter只作为9月2~3级的优势属,其中Defluviicoccus与酸溶性胞外聚合物物质产生[18]及磷去除[19]有关,推测Deflu-viicoccus对该废水处理站调试挂膜期间的微生物膜形成及磷去除有重要作用;而Ilumatobacter为嗜盐放线菌[20],因此推测Ilumatobacter在提高该氧化池耐盐性方面具有重要作用㊂Hyphomicrobium㊁Roseovarius㊁以及Flavihumi-bacter只在11月1级氧化池中作为优势属,其中Roseovarius被报道存在于石油污染的盐碱土壤中[21];Zobellella与Photobacterium只在11月3级氧化池中作为优势属,其中Zobellella与多环芳烃降解[22]有关且属于反硝化细菌[23],推测可能参与该生物氧化池的除油以及反硝化过程㊂图2㊀细菌在属水平上随氧化池运行阶段及氧化池级别的群落结构变化3㊀结语(1)对比2017年9~12月进㊁出水指标发现,该废水处理站生物膜系统对高含盐废水中的COD㊁BOD㊁石油类㊁氨氮以及硫化物均有较好的去除效果,表明该接触式氧化池适用于新疆克拉玛依地区高盐度废水的生化处理㊂(2)细菌群落结构在门水平上随运行阶段的不同呈现较小的变化㊂同一运行阶段内,随着氧化池级别的增加,细菌群落结构也无明显变化㊂但同级氧化池的细菌多样性随着运行时间的增长而降低㊂(3)在属水平上,各级氧化池在不同运行阶段中的细菌群落结构差异较大㊂同级氧化池的细菌多样性随着运行时间的增长而降低,同一运行阶段内,细菌多样性随着氧化池级别的增加而降低㊂参考文献[1]WOOLARD 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