将不同的预处理纤维素载体用于固相反硝化系统的脱氮及生物特性比较外文翻译资料

 2022-11-05 11:40:05

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将不同的预处理纤维素载体用于固相反硝化系统的脱氮及生物特性比较

Lijuan Fenga, Kun Chena, Doudou Hana, Jing Zhaoa, Yi Lua, Guangfeng Yanga, Jun Mua, Xiangjiong Zhaob

a浙江海洋大学环境科学与工程系，舟山海达南路1号，316022，中国

b舟山农林水产渔业委员会，浙江舟山，316021，中国

摘要：本研究探索了由玉米芯，稻草和稻壳填充的固相脱氮系统在未处理、酸和碱预处理情况下的净水性能。由于化学成分的不同，玉米芯作为预处理物质时对硝酸盐去除率较稻草和稻壳高，且稻壳体系的硝酸盐去除率最低（lt;90％）。 此外，稻壳体系中经常检测到亚硝酸盐的积累（lt;0.5 mg/L），特别未经预处理的系统。而玉米芯和稻草体系中的氨氮积累比稻壳体系更为普遍，且可通过酸预处理降低。Miseq测序分析表明，预处理系统中的优势枯草芽孢杆菌和发酵厌氧菌的共生系统较非预处理系统更丰富，这对于有效、持续的除氮是至关重要的。

关键词：固相反硝化，玉米芯，稻草，稻壳，预处理

1 引言

如今，天然水的硝酸盐污染是全球主要的环境问题之一（Abdul-Rahman等，2002）。 生物反硝化仍然是去除硝酸盐最流行和经济的方法。 异养生物和自养生物反硝化原理不同，前者依赖于可用的碳源，后者取决于铁，氢或硫化合物（Karanasio等，2010）。其中异养生物的脱氮常被用于天然水处理中，但可用碳源的不足仍然是一个问题（Wang and Chu, 2016）。因此，运用外加碳源来强化异养菌脱氮在近年被认为是可行方法，特别是对固体碳源的利用（Warneke等，2011）。据研究，固体碳源可用作微生物生长的碳源，也可用作脱氮系统中生物膜的附着载体，通常称其为固相脱氮（SPD）（Wang and Chu, 2016; Wu et al., 2012）。近年来，已经研究出大量可生物降解的材料来增强SPD系统的性能，包括天然植物材料（稻草，稻壳，木片，玉米芯等）（Rusznyak等,2010; Yang等,2015）和合成的可生物降解聚合物（聚己内酯，聚丁二酸琥珀酯等）（Ruan等,2016; Zhang等,2016），并且植物性固体碳源更为普遍和经济。

众所周知，可生物降解的材料通常作为SPD系统中的碳源和生物膜载体。前者取决于材料的大量碳组分和缓释特性，而后者则依赖于细菌附着的大表面结构。植物性的固体碳源是主要含有可生物降解的纤维素，支链半纤维素的木质纤维素材料，顽固性木质素网络彼此紧密相互作用，并且形成可生物降解纤维素和半纤维素的保护屏障，满足了SPD系统中碳源和生物膜载体的要求（Falk 等，2010; Ge等，2012）。从木质纤维素材料释放的营养物质通常首先从纤维素以及半纤维素的一部分快速释放溶解碳源，然后释放率逐渐降低，剩余的开始被微生物降解（Feng等，2015; Gao等，2013）。所以，其风险包括运行初期有机物排放量增加，后期有SPD系统中有机物缺乏。由于微生物降解对SPD系统在长期运行中获取碳源非常关键，所以降低木质纤维素材料的顽固性在某种程度上是非常值得考究的方法。

植物生物量的顽固性主要受木质素，半纤维素和纤维素的可及表面积和化学成分影响（Sun等，2016）。木质纤维素材料的预处理在木质纤维素生产各种生物产品领域中众所周知的方法。 已经开发了许多预处理技术，包括物理（尺寸减小等），物理化学（液体热水等），化学（酸，碱和氧化剂）和生物处理，这显着提高了木质纤维素的消化能力和生物量（Brar 等，2016; Elumalai 等，2016; Sun 等，2016; Zhang 等，2015）。然而，没有足够的资料来说明预处理技术对脱氮性能和操作风险的影响。另外，SPD系统生物膜的微生物群落与生物载体相关，并决定了其运行性能。有人认为，在SPD工艺的长期运行过程中，一些富集的反硝化菌可以直接利用可生物降解的载体作为碳源，而其他的可以利用水解物作为电子给体，通过其他微生物降解载体（Wang and Chu，2016; Ruan 等，2016）。 然而，很少有研究关注了不同的预处理可生物降解载体对水中SPD系统生物膜中微生物群落结构变化的影响。

为了研究SPD系统的除氮和微生物群落特征，本实验采用不同物理化学方法预处理的玉米芯，稻草和稻壳三种代表性农业副产品作为可生物降解载体和固体有机碳源。 因此，本研究的目的如下：1）通过各种预处理观察三种可生物降解载体对除氮性能，有机物变异和脱氮途径的影响; 2）通过进一步研究各种生物降解载体中微生物群落的特征，探索氮和有机物去除的机理。

2 材料及方法

2.1材料

我们从中国东部的农村获得了三种木质纤维素载体，包括枯萎的玉米芯，稻草和稻壳。 将干燥的玉米芯和稻草切成与稻壳大致相同的长度。 将重量12.5plusmn;0.05g的载体置于网袋（9cmtimes;11cm）中，然后在稀硫酸（0.01molL -1）或氢氧化钠（0.01molL -1）中进行预处理。 之后，将所有带有载体的网袋在高压釜中在120℃下加热1小时，然后在另外2小时的冷却时间内用蒸馏水洗涤，并在干燥炉中干燥。 同时，将不进行预处理的干燥载体作为对照组。

整个实验中原水水质模拟的华东地区水质。分别用乙酸钠，硝酸钾，正磷酸二氢钾作为碳，氮，磷源。合成原水的水质如下：CH3COONa3·3H2O为24.4mg/L（C为4.3mg/L），KNO3为16mg/L（N为4mg/L），KH2PO4为0.9mg/L（P为0.2mg/L）。

2.2实验步骤及操作流程

用有机玻璃搭建九个长方体固相脱氮反应器（R1-R9），每个反应器的工作体积为4.2L（12cmtimes;12cm〜30cm）。反应器R1，R4和R7分别填充相同重量的未处理的玉米芯，稻草和稻壳。将酸预处理的玉米芯，稻草和稻壳的载体分别进料到反应器R2，R5和R8中。同时，将碱预处理的玉米芯，稻草和稻壳的载体分别进料到反应器R3，R6和R9中。所有反应器都填充相同重量的载体（100g）。用来自浙江省源水区原水的河床沉积物接种，在通风条件下，启动期2天内进入反应堆。然后将每个反应器中的沉淀物排出，并在24h的水力停留时间（HRT）下处理污染的原水。在此实验过程中，将所有反应器置于25plusmn;2℃恒温的室内。在排放沉积物后，反应堆不提供曝气，每个反应堆中的溶解氧（DO）含量总是小于0.3 mg/L。每个反应器的详细信息如表1所示。

2.3 分析方法

2.3.1常规指数分析

根据Hill等人提供的方法分析了各种木质纤维素载体的木质素，纤维素和半纤维素的化学成分（1998）。根据标准分析法分析硝酸盐，亚硝酸盐和氨水（中国水质考试标准方法，2002年）。 使用催化燃烧TOC分析仪（TOC-V CPH，Shimadzu）测定溶解的有机碳（DOC）。DO用DO仪（YSI Model52，USA）测量。

2.3.2DNA提取和PCR扩增

用土壤DNA试剂盒（OMEGA）提取从操作反应器获得的生物膜样品的总DNA。提取的DNA通过0.8％琼脂糖凝胶电泳进行鉴定，并用紫外分光光度计定量。用特异性引物520F（50条码 GCACCTAAYTGGGYDTAAAGNG-30）和802R（50TACNVGGGTATCTAATCC-30），通过聚合酶链式反应（PCR）扩增扩增16S rRNA基因的V4区。引物520F中的寡核苷酸序列“条形码”用于区分来自同一文库的样品。 25mu;l反应体系用于PCR扩增，包括NEB Q5 DNA高保真聚合酶（0.25mu;l），10mM dNTP（0.5L），5mu;l PCR反应缓冲液（5mu;l），5mu;l高GC缓冲液（5mu;l），DNA模板（11L），正向引物（11L），反向引物（11L）和灭菌超纯水（11.25mu;l），98℃（30秒），操作25-27个循环（98℃15秒，50℃30秒和72℃30秒），最后在72℃延伸5分钟。用琼脂糖凝胶（2％）电泳检测PCR产物，并通过氧气凝胶回收靶片段。

2.3.3微生物群落的Miseq测序分析

Quant-iT PicoGreen dsDNA测定试剂盒用于在酶标仪（BioTek，FLx800）上定量PCR产物，并用由Illumina开发的TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit构建克隆文库。安捷伦高灵敏度DNA试剂盒用于确定安捷伦生物分析仪上克隆文库的质量。将纯化的克隆文库的混合物用于商业测序公司（Personal Biotech Co.Ltd。，Shanghai）的MiSeq机上的Miseq测序分析。为了提高Miseq测序数据的质量，在修剪条形码和引物后，从文库中删除了缺陷读取，包括读取器不具有可识别的反向引物，短于150bp，并含有不明确的碱基。相似度高于97％的序列被聚类成一个操作分类单位（OTU），生物信息分析基于OTU。研究中使用的alpha;多样性指标包含香农多样性指数（H），辛普森指数，Chao1和ACE的物种丰富度估计。基于QIIME中未加权UniFrac的主坐标分析（PCoA）用于表征细菌群落的beta;多样性。

3 结果与讨论

3.1各类木质纤维素载体的化学成分

木质纤维素载体主要由纤维素，半纤维素和木质素组成。如表2所示，未处理的玉米芯，稻草和稻壳的纤维素含量分别为44.7％，41.9％和37.8％，半纤维素含量分别为35.6％，23.7％和18.8％，木质素含量分别为16.2％，12.9％，25.4％ ，与其他研究结果相似（Brar等，2016）。纤维素和半纤维素被认为可被厌氧菌生物降解，木质素不可被生物降解（Zhang等，2015），说明玉米芯中可生物降解的碳源量最高，而稻壳中的最低。在稀碱和碱预处理后，发现所有预处理物质中纤维素均略有下降。由于半纤维素分子量比纤维素低，所以半纤维素比纤维素降低得多，特别是在酸预处理之后。相比之下，碱预处理的三种材料的木质素去除率比用于酸预处理要高得多，对于碱预处理，木质素去除率也高于半纤维素和纤维素。因此，木质纤维素载体的化学组成受不同预处理的影响显著。

3.2硝酸盐去除率

9个反应器的运行时间（0-90 d）的脱氮性能和出水质量如图1所示。NO3-N/TN高于0.99，故NO3-N为主要成分。在运行期间，进水NO3-N浓度在3.88-4.79 mg/L的范围内波动，平均负荷为4.36plusmn;0.25 mg/(L·d)。如图1A所示，在装有玉米芯片载体的反应器R1-R3中，NO3-N还原性良好。在初始操作周内，反应器R1和R3容易获得高于90％的较高的硝酸盐去除率。然而，在装有酸处理的玉米芯的反应器R2中观察到明显的滞后时间大约一周。在三个反应器中，硝酸盐去除率在90％以上的稳定运行阶段可持续三个月。有人提出，在没有任何处理的装载玉米芯骨架的反应堆中可以获得高脱氮性能。稻草系统（R4-6）在最初两个月内与反应器R1-R3相似。然而，填充有碱处理稻草的反应器R6的NO3-N去除性能从第61天显着降低到80％以下。结果表明，碱处理的稻草对硝酸盐去除的长期运行性能有不利影响。在装有酸处理稻壳的反应器R8中也观察到滞后期。

然而，在第15（R7），28（R8）和58（R9）天，硝酸盐去除率较之前明显下降，分别为62.8％（R7），69.2％（R8）和78.1％（R9）。在充满稻壳的反应堆中，高的硝酸盐去除率维持不了三个月以上。除去初始周的不稳定时期，在最初两个月的操作中，平均硝酸盐处理量为4.0plusmn;0.3 mg/(L·d)（R1），4.2plusmn;0.3 mg/(L·d)（R2），4.2plusmn;0.3 mg/(L·d)（R3），4.0plusmn;0.3 mg/(L·d)（R4），4.2plusmn;0.3 mg/(L·d)（R5），4.3plusmn;0.3 mg/(L·d)（R6），2.2plusmn;0.8（R7），3.2plusmn;0.5（R8）和4.1plusmn;0.2（R9），这表明预处理体系硝酸盐去除性能较高，且碱处理对稻壳非常有利。在第三个月，硝酸盐处理量变为4.0plusmn;0.3 mg/(L·d)（R1），4.0plusmn;0.3 mg/(L·d)（R2），3.9plusmn;0.3 mg/(L·d)（R3），3.9plusmn;0.3 mg/(L·d)（R4），4.0plusmn;0.3 mg/(L·d)（R5），2.9plusmn;0.5 mg/(L·d)（R6），2.7plusmn;0.6（R7），3.6plusmn;0.5 mg/(L·d)（R8）和2.6plusmn;0.4（R9），这表明在其它材料相同的情况下，碱处理系统中去处负荷更低。在整个实验中（表1），使用相同的预处理方法时，三种材料中稻壳体系的硝酸盐去处率都最低，而在反应器R1-R5中能保持90％以上的硝酸盐去除率，其中采用酸性预处理稻草的R4去除率最高。因此，通过预处理提高硝酸盐去除率效果由高到低排序为稻壳，稻草，玉米芯。

众所周知，作为电子给体的碳源对于硝酸盐还原是必不可少的。在这项研究中，由于原水碳源不足，载体的生物降解能力在硝酸盐去除中起重要作用。据报道，影响植物基载体生物降解性的关键因素包括组成特征（纤维素，半纤维素和木质素的组成）和可及性（Sun et al。，2016），这可能是硝酸盐去除率不同的主要原因。本研究中，稻壳生物降解碳源最低可能导致硝酸盐去除最差，而没有任何预处理的玉米芯和稻草载体可以获得高脱氮性能，NO3-N去除效率高于90％，可归因于其较高的可生物降解碳源。此外，已经证明生物膜载体的较大的表面积有利于更多的微生物繁殖（Ovez等人，2006）。玉米芯的

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