1、第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20211231基金项目:国家自然科学基金“生物海绵铁体系中铁与微生物协同同步反硝化作用机制及其应用基础研究”(51768032)第一作者:易宏学(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制。597107333 qqcom*通信作者:李杰(1964)，男，教授，主要研究方向为水污染控制。wye maillzjtucnDOI:10.13205/jhjgc202212028易宏学，李杰，王亚娥，等 具有铁氧化和好氧反硝化功能的 Achromob
2、acter denitrificans strain 2-5 对序批式反应器生物脱氮性能及群落结构的影响 J 环境工程，2022，40(12):211216具有铁氧化和好氧反硝化功能的Achromobacter denitrificans strain 2-5 对序批式反应器生物脱氮性能及群落结构的影响易宏学1李杰1*王亚娥1赵炜1谢慧娜1张文莉2权海荣3慕浩1胡凯耀1(1兰州交通大学 环境与市政工程学院，兰州 730070;2西北综合勘察设计研究院，西安 710000;3中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710000)摘要:对 1 株具有铁氧化和好氧反硝化功能的反硝化无色杆菌 2-5(A
3、chromobacter denitrificans strain 2-5)强化 SB 反应器脱氮性能与细菌群落结构的影响进行研究。结果表明:在 SB 反应器中，添加 Fe0和 Achromobacter denitrificansstrain 2-5 能提高 SB 反应器对 NH+4N 和 TN 的去除效果，与普通 SB 反应器相比，NH+4N 和 TN 的平均去除率分别提高了 4.13%、15.73%。通过高通量测序分析，发现各反应器微生物群落结构组成存在差异。从门水平来看，变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacter
4、ia)、厚壁菌门(Firmicutes)为优势菌门。添加 Fe0和 Achromobacter denitrificans strain 2-5 使反应器中具有好氧反硝化功能的细菌多样性增加，强化了 SB 反应器的脱氮效果，研究结果为 Fe0促进好氧反硝化菌生长，强化污水脱氮提供了依据，有利于好氧反硝化菌的实际应用。关键词:好氧反硝化菌;零价铁;反硝化无色杆菌 2-5;生物强化;群落结构EFFECTS OF ACHOMOBACTE DENITIFICANS STAIN 2-5 WITH ION OXIDATIONAND AEOBIC DENITIFICATION FUNCTION ON BIO
5、LOGICAL NITOGEN EMOVALPEFOMANCE AND COMMUNITY STUCTUE IN A SEQUENCING BATCH EACTOYI Hongxue1，LI Jie1*，WANG Yae1，ZHAO Wei1，XIE Huina1，ZHANG Wenli2，QUAN Hairong3，MU Hao1，HU Kaiyao1(1School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2Northwest esearch In
6、stitute of Engineering Investiga，Xi an 710000，China;3China ailway First Survey and Design Institute Group Co，Ltd，Xi an 710000，China)Abstract:The effect of an Achromobacter denitrificans strain 2-5，with the function of iron oxidation and aerobicdenitrification，on enhancing the denitrification perform
7、ance of an SB reactor and its bacterial community structure wasstudied in this paper The results showed that the addition of Fe0and Achromobacter denitricans strain 2-5 could improve theremoval efficiency of NH+4N and TN in the SB reactor Compared with the ordinary SB reactors，the average removal ra
8、tesof NH+4N and TN were increased by 4.13%and 15.73%Through high-throughput sequencing analysis，differences werefound in the composition of microbial community structure in each reactor At the phylum level，Proteobacteria，Bacteroidetes，Actinobacteria and Firmicutes were the dominant phyla The additio
9、n of Fe0and Achromobacter denitrificans strain 2-5increased the diversity of bacteria with aerobic denitrification function in the reactor and strengthened the denitrification effect环境工程第 40 卷of the SB reactor The research results provide a theoretical basis for Fe0to promote the metabolic growth of
10、 aerobicdenitrifying bacteria and are conducive to the practical application of aerobic denitrifying bacteriaKeywords:aerobic denitrification;zero-valent iron;Achromobacter denitrificans strain 2-5;bioaugmentation;communitystructure0引言随着我国城市化速度和现代工业化的加快，人们生产生活过程中产生的生活污水、农业废水和工业废水中含有大量的含氮物质进入受纳水体，导致水
11、体环境中的氮平衡被打破，引起水体富营养化，威胁人类健康及动植物的生存。目前，由于传统生物脱氮技术依赖的硝化、反硝化微生物对 O2浓度和碳源浓度、反应所需时长的要求存在差异，导致污水处理成本增加，占地面积大，生物脱氮效果较差。20 世纪 80 年代，obertson 等1 最先报道了好氧反硝化细菌和好氧反硝化酶系的存在，研究人员相继从活性污泥2、海洋3、饮用水水库4、河流5 和膜生物反应器6 等环境中分离鉴定出一些具有好氧反硝化功能的微生物，它们在有氧条件下进行反硝化作用，使硝化和反硝化作用在同一反应器中同步发生。为进一步提高污水生物脱氮效率，Yang 等7 将好氧反硝化菌 P stutzeri
12、 strain XL-2 加入 SB 反应器中，使 TN 去除率提高了 11%;Zhang 等8 通过接种异养硝化好氧反硝化菌启动 MBB 反应器，启动时间从39 d 缩 短 到 15 d，TN 去 除 率 从 30.4%提 高 到80.7%，这些研究结果表明好氧反硝化菌能提高含氮物质的转化，强化污水生物脱氮效果。本课题组前期研究发现，将海绵铁介入 SB 反应器，作为生物固定化的载体长期运行，反应器具有脱氮、降解有机物能力强的特点9，其原因在于:一方面，铁可作为氧化还原酶电子传递链和辅基中的电子受体，从而增强微生物群落的代谢活性及细菌固有的脱氮能力，前期高通量分析发现在投加海绵铁的系统中存在大
13、量的好氧反硝化菌和铁氧化菌;另一方面，海绵铁疏松的海绵状结构为好氧、兼氧和厌氧微生物的生长繁殖提高了有利的微环境10，投加海绵铁对微生物生长和去除氮起着积极作用。最后，海绵铁是一种 Fe0，铁氧化菌能加速 Fe0的溶出并且促进Fe2+与 Fe3+之间的转换，生成的 Fe2+与 Fe3+与磷形成沉淀，在实现同步除磷的同时，还能促进硝化和反硝化反应的进行11。为验证好氧反硝化菌与 Fe0协同强化污水生物脱氮的可行性，本研究将 Achromobacter denitrificansstrain 2-5 和海绵铁添加到 SB 反应器中，定期检测水质及微生物群落的变化，分析其 SB 反应器生物脱氮性能的
14、影响，其研究结果对好氧反硝化菌在污水生物脱氮中的实际应用提供参考。1实验部分1.1实验装置本实验采用 SB 反应器是有效容积为 250 mL的玻璃锥形瓶。平行启动 4 个 SB 反应器(1、2、3、4)，1 号反应器仅接种普通活性污泥，2 号反应器接种 150 mL 的 Achromobacter denitrificans strain2-5 菌液+普通活性污泥，3 号反应器添加 150 mL的 Achromobacter denitrificans strain 2-5 菌液，4 号反应器接种 150 mL 的 Achromobacter denitrificans strain2-5 菌
15、液和普通活性污泥的基础上添加 90 g/L 的海绵铁。海绵铁购自北京金科复合材料有限责任公司，呈疏松海绵状、多孔，灰黑色，全铁约占 96%，碳占3%，粒径为 0.53.0 mm。将 4 个 SB 反应器放置于恒温摇床上振荡培养，转速为 120 r/min，(DO)为 2 3 mg/L，温度为25，运行周期为 12 h，按进水(15 min)曝气(11 h)沉淀(30 min)出水(15 min)的顺序连续运行，换水比为 1/2，污泥龄为 10 d。反应器共运行327 个周期。1.2接种污泥和实验用水将取自兰州市安宁区污水处理厂的活性污泥在实验 室 投 加 铁 源，驯 化 后 作 为 接 种 污
16、 泥。菌 株Achromobacter denitrificans strain 2-5 由实验室从活性污泥中分离获得。实验用水为模拟废水，由 3 mL/L浓缩营养液溶液、3 mL/L 牛奶和一定的硝酸钾与葡萄糖配 制 而 成。浓 缩 营 养 液 组 成 为(NH4)2SO464 mg/L，K2CO364 mg/L，NaHCO332 mg/L，K2HPO49.728 mg/L，KH2PO43.84 mg/L，各阶段进水主要水质特征如表 1 所示。1.3DNA 的提取与扩增待 4 个 SB 反应器运行稳定后取样测定细菌群落结构组成与多样性，样品编号分别为 1、2、3、212第 12 期易宏学，等:具有铁氧化和好氧反硝化功能的 Achromobacter denitrificans strain 2-5对序批式反应器生物脱氮性能及群落结构的影响表 1各阶段模拟废水水质特征Table 1Water quality characteristics of the simulatedwastewater in each stagemg/L阶段(NH+4N)(NO3N)(NO2N)(TN)(COD)
