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BAF工艺预处理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征

文档作者：张文艺王逸超1 蔡庆庆1 2 文档来源： 1．常州大学环境与安全工程学院 2．江苏龙环环境科技有限公司，		点击数：	更新时间： 2025年05月12日
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第18卷第4期
2018年8月
过程工程学报
The Chinese Jo啪al of Process Engineering
、，ol_18 No．4
Aug．2018 琴銎器粕环临薪境⋯与一鳃j能i耳源翻：￡嚣 DOI：10．12034／j．issn．1009—606x．217354
Microbial characterization of micro polluted source water containing microcystin
pretreatment with biological aerated filter
Wenyi ZHANG卜， Yichao WANGl， Qingqing CAll，2
1．Sch00l of Enviro砌ental&amp;amp;Safety Enginee血g，Changzhou UniVersi吼Changzhou，Jiangsu 2 1 3 1 64，China
2．Jiangsu Longhuan EnViromental Science Co．，Ltd．，Changzhou，Jiangsu 2 1 3 l 27，China
1i!!蝤馥穗c垂：霸赡microbial ch撒ct硪stics 0fbiode铲ada吐on ofolg姐ic c伽Bpolmds c伽【瓴ining ni昀g瞰撒避越谚鳞萝s蛳
腿Q憾．LR)w鲢fese鲫ched谢th me bio丘lm ofbiolo西cal∞rat耐五腧(BAF)re∞衙鲫r蠡赡e龋《b∞∞懿A蝴峨
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@．1鹋磊一12．59％)， Cloacibacte】舶m (1．85％一12．39％)， Aqllab∞协叵啪(1．53％—6．76％)，H'归ro辫缀叫疆铲
(1．12％v5。9％)，Me也y10vefsatilis(o．53％V1．52％)，砒mdob∞tcr(0．09％一1．39％)，etc．1ll ad砌。玛吐le∞n翻激f醴毫鑫cill璐赫ed缸髓nle initial O．16％t0 1．97％aftcr tl坨additj蛆ofTl de舯dingbacteria’Ⅵ筒ch妇∞同也醯
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穗伊醯a|i强ofMC—LR．
1‘蟹wo堪s：盘i11越ng wa_嘧sources；biolo苗cal裁豫tcd丘lt盱；mic∞伪翟；乏Ini锄
BAF工艺预处理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征
张文艺¨， 王逸超1， 蔡庆庆1’2
1．常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164
2．江苏龙环环境科技有限公司，江苏常卅『213127
摘要：以曝气生物滤池载体表面的生物膜为研究对象，通过镜检、磷脂脂肪酸(PLFA)测定、高通量454测序等手段研究了生
物膜降解含氮有机物和微囊藻毒素．亮氨酸(MC．LR)的微生物特征．结果表明，低碳源的微污染水源中水生物膜的微生物群落极
为丰富，形成了由好氧细菌组成的微生物群落，运行前2周有6大门类17大种属，3—4周增加到14大门类43大种属，还有线
虫、草履虫、水蚤等原生动物；优势菌属有球衣菌属勋^口P加打船(2_4l％一24．58％)、气单胞属彳eromo，l口s(4．16％一12．59％)、黄杆菌属Cf0口cf6口c把ri“m(1．85％一12．39％)、水杆菌属爿q“口6Ⅱc把rf“朋(1．53％一6．76％)、噬氢菌属帅矽，l叩^以肜(1．12％一5．9％)、嗜甲
基菌属胁旃yfove昭口“凰(0．53％～1．52％)、红杆菌属R．1lD如6口c把r(0．09％一1．39％)等．此外，投加0．16％T1菌剂芽孢杆菌后其含量
增至1．97％，表明投加T1降解菌后芽孢杆菌迅速生长并成为优势种群，可强化降解Mc—LR．
关键词：水源水；曝气生物滤池；微生物
中图分类号：x524；x703 文献标识码：A 文章编号：1009—606x(2018)04—0866—06
收稿：2017一lO一23，修回：2叭7一12一19，网络发表：2叭8—03—28，Received：2017一10—23，Revised：2017—12—19，Published online：2018一03—28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：41571471)；国家“十三五”科技重大专项基金资助项目(编号：2叭7zx07202002)
作者简介：张文艺(1968一)，男，安徽省安庆市人，博士，教授，研究方向：水污染控制与生态修复，E-mail：z、vy@cczu．edu．cn．
蓉l用捂式：张文艺，王逸超，蔡庆庆．BAF工艺预处理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征．过程工程学报，2018，18(4)：86“871．
Zhen_g W、‘w越lg YC，Cai Q Q．Mi凹obial ch础lccI疵=Btion ofmi啪polIutcd s删∞e啪缸con乜IiningⅡli钮咖妒etl％曩镪髓t with
biological ae均：【ed fiIter(in chille劝．Chin．J．ProI∞ss Eng．，2018，18(4)：866_871，DOI：10．12034／j．issn．1009·606X．217354．
万方数据
第4期张文艺等：BAF工艺预处理含MC微污染水源的微生物特征867
1 前言
微污染水源水存在氮污染严重、溶解性有机物含量
过高、细菌及藻类大量繁殖等问题，采用生物预处理技
术不仅可有效改善其混凝沉淀性能、减少混凝剂用量，
还能去除常规处理工艺不能去除的污染物，近年来在处
理微污染水源水领域备受关注【¨．微污染水源水的生物
预处理技术一般指生物膜法和生态法，生物膜法包括生
物接触氧化法、生物滤池、生物转盘等，而生态法多采
用潜流式人工湿地或表面流人工湿地．
微囊藻毒素(Microcystin，MC)主要由富营养化水体
中的微囊藻产生，在微囊藻细胞内合成，细胞破裂后便
释放出来，其多种异构体中MC．LR(亮氨酸)分布最广，
危害最大．MC．LR分子因具有环状结构及间隔双键而在
水环境中化学性质较稳定，常在生物体内富集和存留，
具有很强的肝毒性和促癌作用，我国《生活饮用水水质
卫生规范》(GB5749．2006)将饮用水源中MC．LR浓度限
定为1．0¨g／L，并作为饮用水质必检指标．
曝气生物滤池(Biological Aerated FilteL BAF)工艺
集生物降解和物理截留于一体，近年来被国内一些水厂
用于微污染水源水预处理．BAF工艺主要利用生物膜中
微生物的强氧化分解及生长代谢作用去除微污染水源
水中的各种污染物，其表面微生物种群结构的分析国内
外虽己有相关报道[2_4】，但多数是采用传统的生物技术
手段，对低碳源条件下BAF生物膜中微生物的特性报道
较少．本研究采用近年来兴起的磷脂脂肪酸
(Phospholipid Fatcy Acid，PLFA)分析和微生物高通量
454测序手段，考察生物膜中的微生物群落特征，揭示
低碳源BAF中的微生物分布、功能和种群多样性特性．
2 实验
2．1 BAF实验装置与处理方法
实验装置如图l所示，为上向流单级曝气生物滤池，
主要由反应主体、进水箱、空气泵、水泵、计量设备等
构成，总体积2．43 L，有效高度1．2 m．反应主体承托层
高10 cm，由粒径12 cm的砾石组成，填料层高80 cm，
分别为粒径2~4和4～8 mm的两段各高40 cm的沸石填料
层，孔隙率为52％．曝气装置采用空气泵充气，由烧结
砂芯曝气头布气．进水由恒流水泵抽入BAF反应器下
端，出水由上端经导管排出，反冲洗管也由下端进水进
气，上端出水．
BAF运行初期，于挂膜阶段将1％Tl菌(芽孢杆菌)
菌液500 mL与生活污水混合，在水力负荷0．07
m3／(m2．h)、气水体积比2：1的条件下持续曝气进水1周．
1．Feedtalll(
2．PumD
3．Liaujd now meteo
4 Aerated Blower
5．Airnow meter
6 2～4 mm clinoptilolite layeo
7 4～8 mm cIinoDtilolite laver
8．Support layer(graVel)
⋯』]E
4 5
h}一一r弓
2 3 雕
图l上向流BAF实验装置示意图
Fig．1 Schematic diagram of up·flow BAF reactor
2．2检测方法
2．2．1微囊藻毒素测定方法
微囊藻毒素测定采用高效液相色谱法，具体步骤参
照《水中微囊藻毒素的测定》(GB／T 20466．2006)．
2．2．2微生物镜检方法
微生物镜检用xSP一8C数码倒置生物显微镜(上海光
学仪器厂)观测，微生物识别参考《淡水微型生物图谱》【51．
2．2．3磷脂脂肪酸的测定方法
磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatt)r Acid，PLFA)测定方
法参照文献[6】．
2．2．4总DNA提取
用强力生物薄膜DNA提取试剂盒(深圳安必胜科技
有限公司)进行总DNA的提取．
2．2．5高通量454测序
BAF生物膜用高通量454焦磷酸测序，委托上海天
吴生物科技有限公司测定．
3结果与讨论
3．1污染物去除情况
挂膜成功后持续运行30 d，BAF对各污染物的去除
情况如表1所示．
表1 BAF对各污染物的去除情况
!!!!!!垦!翌竺Σ!!塑坐21Σ塑竺坚巳竺!!竺塑堡垒Z星垒星
PoIlutallt——拿堕堕丛巡堂型一A”emg。lnnuent Effluent removal mte／％
万方数据
868 过程工程学报第18卷
3．2微生物镜检分析
采用生物倒置显微镜观察生物膜．由图2可知，生物
膜上有原生生物线虫、草履虫、水蚤等，微生物较丰富，
利于水中有机物污染的降解．线虫属寄生类，在污水中
独立牛活，可同化微乍物不易降解的同体有机物：草履
博
虫属纤毛类，喜食细菌及有机颗粒，在污水处理中竞争
力较强；水蚤为微型甲壳类动物，以细菌和藻类为食料，
可降解污水中的微囊藻．镜检还发现生物膜上出现了团
藻，其可利用光合作用通过生物代谢实现污水脱氮除磷．
●■
3势
算舅
图!生物且艾微生物锐检结粜
Fig．2 The examination ofbiological membrane microbial microscopic
表2 BAF底泥中提取的磷脂脂肪酸
Table 2 Phospholipid f-attv acids ex仃acted fIrom sediment of BAF
Fatty acidspecies PLFA bi。marker c。ncen眦i。11／(m。㈨Microbi。l。gical indicat。r type 9糟盖=者。c篱m
SatIlmtcd fatty acid 16：oo 0．258 Bacteria(咫例如mo一甜口P删甩∞Ⅱ)㈣10．32 42．48
18：oo O．184 Bacteria(eosinophilic局协昭PH幻cfⅣf)【1卅7．35 30．26
Unsaturated fatty acid a19：OO O．138 Bacteria∽cf抽o，，lycPt甜)⋯31 5．52 22．73
表3生物膜法与生态法微生物特征的对比
Table 3 Microbial characteristics comparison of biofilm process and ecological 1aw
Research obiect Microbiolo gjcalindicator type Phosphatidic fatty acid biomarker Ref
SubsIlrface F】ow wet】aI】d jn cjty sewage Aerobjc bact两a卸d actjnomycetes 17：00，18：00，9Mel9：oo [6】
tr℃atlllent plant tail water
加j矗“purification ofVillage sewage project Aerobicbacteria，柚aerobicbacteria，bacteria， a16：1∞9c，订6：1∞7c，17：00，18：l∞9t，14：00， [14]
by ecological method 劬gi，themophilic thernl01”obacilli，etc 16：OO，18：3(06c，18：l∞9c，18：00，12Mel4：00，
2l：00，22：00，23：00，28：00，etc．
3．3磷脂脂肪酸分析
对曝气生物滤池中的生物膜进行PLFA测定，结果
见表2．由表可知，共检测到3种磷脂脂肪酸，且BAF中
微生物均为细菌，其中a19：OO为不饱和脂肪酸，其在BAF
中的含量为0．138 nmo№；其次是饱和脂肪酸16：00和
18：00，其在BAF中的含量分别为0．258和0．184 nmo垤；
含量最多的是饱和脂肪酸16：00．文献【7_13】研究得出
PLFA量和生物量之间存在(2—5．9)×104 cel师mol的转换
系数，按4×104 cell／pmol推算，16：00，18：00和a19：00的指
示生物量分别为10．32×106，7．35×106和5．52×106 cel垤，
指示微生物均为好氧细菌．
PLFA分析的原理是基于磷脂几乎是所有生物细胞
膜的重要组成部分，细胞中磷脂含量在自然条件下(正
常的生理条件下)恒定，其长链脂肪酸的形式一磷脂脂
肪酸PLFAs可作为微生物群落的标记物．表3为生物膜
法与生态法微生物特征的对比．尹勇等【14]通过PLFA检
测研究苏南地区生态强化法原位净化村镇污水工程中
底泥的微生物多样性，发现底泥的生态群落以假单胞杆
菌、好氧细菌为主导；胡林潮等【6】采用PLFA检测揭示潜
流式人工湿地消纳城市污水厂尾水的微生物特性及机
制，其底泥中形成了以好氧细菌和硫酸盐还原菌为主的
微生物结构；而本研究通过PLFA检测研究BAF反应器
生物膜上微生物的结构在国内鲜有报道，结果显示在
BAF中形成了由好氧细菌组成的微生物群落，与湿地中
的微生物结构较相似，也符合曝气生物滤池持续进氧引
起好氧微生物大量繁殖的规律．
3．4高通量测序分析
3．4．1 PCR扩增及高通量测序
从BAF填料上刮取生物膜，采用PowerBiofilm试剂
盒提取总DNA，将其进行PCR扩增及高通量测序，结果
万方数据
第4期张文艺等：BAF工艺预处理含MC微污染水源的微生物特征869
如图3所示．由图可知，样本基因组条带清晰，无降解，
且在目的区域扩增条带良好，满足后续实验要求．
DZ 1 PoslIlVc conIrol DZ2 Ncga¨、c control M DL200()
幽3 PCR扩增检测结果
Fig．3 Result in the PCR锄pl坶
3．4．2不同时段微生物种群多样性变化分析
BAF反应器运行初期与后期微生物群落在门分类
水平上的分布见图4．由图可知，运行初期与后期BAF
中微生物均主要隶属于6个门，其中变形菌门
Be细口，DfPD6口c胞r缸占主要优势，均超过50％，其它优势
菌门分别为拟杆菌门B口cfer0^沈f酷(24．37％～24．9％)、放
线菌门彳c砌D6口c胞“口(0．08％～2．48％)、绿弯菌门
CyfD础昭胁(0．15％一1．86％)、厚壁菌门，仫Ⅷ6口c幼百妇
(1．4％～20．38％) 、浮霉菌门尸肠，zcfDmycPf缸
(0．18％一3．86％)，运行后期新增螺旋体门、酸杆菌门、
疣微荫门、广卉菌门、装甲菌门、绿荫门等[15】．
—■●
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&amp;amp;鞍“mm“ --￡^⋯unld⋯"hnda∞dczto“
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E砌y Later
Perfb肿ance periOd
图4微生物群落组成分布(门水平)
Fig．4 Distribution of microbial commLul时at phylum 1evel
图5为BAF反应器运行不同时期微生物群落在属分
类水平上的分布情况，由图可知，优势菌属分别为球衣
菌属印砌Pm打ms(2．41％～24．58％)、气单胞属Aemmonas
(4．16％一12．59％)、黄杆菌属Cfo口cf6口cfP一“小
(1．85％～12．39％)、水杆菌属爿g“口6口c胞rf“，，l(1．53％一
6．76％)、嗜甲基菌属Me协yfDw陋口ff凰(0．53％一1．52％)、
红杆菌属R^D如6口c衙(0．09％～1．39％)、噬氢菌属
∞，dmgPn印^唧(1．12％一5．9％)等．BAF运行后期出现了
芽孢杆菌属、产黄菌属、不动细菌属、嗜酸菌属、丛毛
单胞菌属、屠场杆状菌属、假黄单胞菌属、密螺旋体属、
玫瑰单胞菌属、假单胞菌属等优势菌属，微生物多样性
较初期更高．此外，投加T1菌剂芽孢杆菌后其含量由最
初的0．16％增加到1．97％，BAF对MC—LR的降解率由
58．82％增加到79．45％，表明投加T1降解菌后芽孢杆菌迅
速生长并成为优势种群，可强化降解MC．LR．
黄杆菌CfD口cf6ac据，．f“m属拟杆菌门，为兼性厌氧细
菌，在缺氧条件下通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮
气．假单胞菌属于Y．变形菌纲的假单胞菌科，芽孢杆菌
属于厚壁菌门的芽孢杆菌科，均具有较强的好氧反硝化
能力．R^D如6口c陀r属于Cc一变形亚门的红杆菌科，可利用
微污染水体中的有机物进行异养代谢反应，从而降低水
中高锰酸盐指数(CODM。)【16】．讹历yzD把门P阳属于B．变形
菌纲的嗜甲基菌属科，为好氧细菌，通过呼吸代谢，以
铵盐和硝酸盐为氮源．
图5微生物群落组成分布(属水平)
Fig．5 Distribution of micmbial commuIlity at genus leVel
3．5磷脂脂肪酸与高通量对比分析
PLFA检测技术作为一种生物标记技术，在人工湿
地底泥微生物研究领域应用较多，但多为定性分析．高
通量测序技术一次可对几十万到几百万条DNA分子进
行序列测定，可完整显示所有微生物种属及其含量，具
有里程碑的意义．本研究同时采用PLFA检测和高通量
测序两种技术研究BAF生物膜上的微生物多样性，
PLFA分析结果显示生物膜上形成了放线菌、假单胞菌
等好氧细菌，而高通量测序结果显示生物膜上形成了以
放线菌、芽孢杆菌、拟杆菌、假单胞菌等为主的好氧菌
或兼氧菌，两者具有较好的一致性，同时也符合曝气生
物滤池持续进氧引起好氧微生物大量繁殖的规律．
．—．—．，‘．—．*．，．—．r．L
∞
鲫
∞
∞
加
万方数据
870 过程工程学报第18卷
3．6 MC—LR微生物降解机制分析
多种研究【17，18】表明，MC．LR的生物降解途径多遵循
由多肽到二肽再到氨基酸和氨的转化过程．因此，推测
环状MCs转化为线型MCs是MC．LR生物降解至关重要
的一步．
文献【19-22】通过大量研究，从酶学和基因分子层面揭
示了MC—LR的微生物降解途径：生物酶通过不断破坏
MC．LR分子中的肽键，将MC．LR由稳定的环状结构断
开形成七肽直链，并进一步生成更小的多肽，最终转化
为氨基酸和氨．此过程中至少有mlrA，mlrB和mlrC三种
生物酶参与了反应，首先，mlrA通过打开Adda基团侧链
与精氨酸间的共轭双键，将环状MC．LR变成七肽直链；
然后，mlrB负责破坏连接丙氨酸与亮氨酸的肽键从而生
成四肽化合物；最终，mlrC通过进一步降解将四肽化合
物转化为氨基酸．
4 结论
以曝气生物滤池(BAF)反应器载体表面的生物膜为
研究对象，通过镜检、磷脂脂肪酸(PLFA)测定、高通量
454测序等手段，揭示了生物膜降解含氮有机物和微囊
藻毒素．亮氨酸(MC．LR)的微生物特征，得到如下结论：
(1)BAF载体表面的生物膜中微生物种类丰富，有
原生生物(线虫、草履虫、水蚤)和藻类(团藻)等，形成
了由好氧细菌组成的微生物群落．
(2)BAF运行的前2周生物膜上微生物有6大门类17
大种属，3—4周后增加到14大门类43大种属，其中变形
菌门、拟杆菌门、放线菌门等占主要优势，黄杆菌科
CfD口cf施c把““m、红杆菌科尺而D如6口c柳、嗜甲基菌属
Methylotenera、芽孢杆菌和假单胞菌等在微污染水源水
净化中起主要作用．
(3)投加0．16％Tl菌剂芽孢杆菌后，其含量增至
1．97％，MC．LR的降解率由58．82％增至79．45％，表明T1
菌剂具有强化降解MC．LR的作用．
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