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基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响

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陈鑫宇, 王道雄, 潘飞, 徐少伟, 冉懋君. 基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
引用本文: 陈鑫宇, 王道雄, 潘飞, 徐少伟, 冉懋君. 基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
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CHEN Xinyu, WANG Daoxiong, PAN Fei, XU Shaowei, RAN Maojun. Effect of OMS-2 on microbial community of SBR system through high-throughput sequencing[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
Citation: CHEN Xinyu, WANG Daoxiong, PAN Fei, XU Shaowei, RAN Maojun. Effect of OMS-2 on microbial community of SBR system through high-throughput sequencing[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
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基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响

  • 1.

    华中科技大学同济医学院附属同济医院，武汉 430030

  • 2.

    武汉纺织大学，纺织印染清洁生产教育部工程研究中心，武汉 430073

    • 作者简介: 陈鑫宇(1991—)，男，学士，助理工程师。研究方向：废水处理与资源化。E-mail：445091963@qq.com
    通讯作者: 冉懋君(1974—)，男，学士，八级职员。研究方向：废水处理与资源化。E-mail：673810216@qq.com
  • 基金项目:
    湖北省自然科学基金一般面上项目(2018CFB515)

  • 中图分类号: X703

Effect of OMS-2 on microbial community of SBR system through high-throughput sequencing

  • 1.

    Tongji Hospital of Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030, China

  • 2.

    Engineering Research Centre for Clean Production of Textile Dyeing and Printing, Ministry of Education, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China

    • Corresponding author: RAN Maojun, 673810216@qq.com

摘要

  • 摘要: 随着纳米材料的广泛应用，越来越多的纳米材料随着废水进入污水处理厂，纳米材料对污水生物处理系统的潜在影响越来越受到重视。探讨了氧化锰八面体分子筛(manganese oxide octahedral molecular sieve, OMS-2)纳米颗粒对序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)中活性污泥微生物群落结构的影响；以活性艳红X-3B溶液模拟印染废水，将不同浓度的OMS-2混入稳定运行的SBR中，采用Illumina MiSeq高通量测序分析技术，对不同SBR中微生物分布规律进行了研究。结果表明：SBR添加0.25 g·L−1的OMS-2后，其COD去除率和脱色率分别提升了6%和13.6%；Illumina MiSeq高通量测序显示，在混入0.25 g·L−1的OMS-2后，SBR内污泥菌群中拟杆菌门(Bacteroidetes)和变形菌门(Proteobacteria)的微生物DNA序列操作分类单元(operational taxonomic units，OTU)分别增加了16.8%和96.4%，这2类菌种可能提升了SBR降解有机污染物的能力；不同浓度的OMS-2改变了菌群的多样性和结构，低浓度的OMS-2可以提升微生物菌群的多样性和改变菌群的结构。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，OMS-2在SBR中存在锰(Ⅳ)/锰(Ⅲ)转变为锰(Ⅱ)的氧化还原反应，该过程可能影响了菌群的组成。研究为纳米材料的实际应用和环境风险提供了参考。
    Abstract: With widely using of the nano-particles, more and more nano-particles have entered the sewage treatment plant with wastewater, and more and more attentions have been paid to the potential impact of nano-particles on sewage biological treatment system. In this study, the effects of nano manganese oxide octahedral molecular sieve (OMS-2) nanoparticles on the microbial community in activated sludge of sequencing batch reactor (SBR). The dyeing and printing wastewater was simulated by X-3B, and different dosages of nano OMS-2 were added into SBR. The microbial distribution rules in different SBRs were studied by the Illumina MiSeq high-throughput sequencing of 16S rRNA gene. Results showed that the COD removal and decolorization increased by 6% and 13.6%, respectively, at OMS-2 dosage of 0.25 g·L−1 in the SBR, and the OTU of Bacteroidetes and Proteobacteria increased by 16.8% and 96.4%, respectively, based on the Illumina MiSeq high-throughput sequencing of 16S rRNA gene, and these two types of microorganisms could enhance the ability of organic pollutants degradation by SBR. Moreover, the small dosage of nano OMS-2 could enhance the microbial diversity and alter the community structure. The X-ray photoelectron spectroscopy illustrated that the redox reaction of Mn(Ⅳ)/Mn(Ⅲ) to Mn(Ⅱ) in nano OMS-2 occurred in the SBR, and in turn affected the microbial community. This study provides innovative ideas for the practical application of nano-particles and their environmental risks assesment.

  • NOx是主要的大气污染物，其大量排放会破坏臭氧层形成酸雨[1-2]，危害人群和动植物的健康[3-4]。我国已相继出台一系列严格的NOx排放行业限值标准，有效降低NOx排放已成为行业关注重点。选择性催化还原 (selective catalytic reduction，SCR) 技术为最有效且应用最广泛的NOx脱除技术之一[5-6]。蜂窝状催化剂具有机械强度好、床层阻力小等优点[7]，而涂覆法具有操作方法简单、前驱体材料用量少、活性组分利用率高等优点[8]。通过涂覆方法制备的蜂窝状V2O5-WO3-TiO2整体式催化剂占据了大部分市场。KONG等[9]和DE-LA-TORRE等[10]等均证明了在没有添加剂的情况下，催化剂的负载量和牢固性极差，这表明添加剂在涂覆整体催化剂过程中的重要性。孟鹏通等[11]使用聚乙烯醇 (polyvinyl alcohol，PVA) 和拟薄水铝石 (SB粉) 两种粘结剂制备Cu-SSZ-13/堇青石整体式催化剂，发现PVA制备的催化剂具有更好的涂层稳定性和脱硝活性。虽然涂覆式蜂窝状催化剂应用广泛，但其工艺仍存在涂覆不均匀[12]、涂层不稳定等缺点，故导致其涂覆效果差，从而降低脱硝性能。除此之外，烟气成分较复杂，存在HC、SOx、H2O等物质，其均会造成SCR催化剂中毒失活，从而影响催化剂的脱硝效果[13]。目前，针对整体式催化剂的中毒影响原因的分析较少，尤其是针对HCs对SCR催化剂中毒的研究。

    为提高催化剂的脱硝效率，本课题组拟探究涂覆式蜂窝状钒钨钛催化剂的涂优化配方，重点分析C3H8、SO2和H2O对催化剂的影响原因。本研究以蜂窝状V2O5-WO3-TiO2/堇青石催化剂为基础，首先采用正交实验的方法，以PVA的质量分数 (0.2%、0.3%、0.4%、0.5%) 、吐温-20的质量分数 (0.05%、0.1%、0.15%、0.2%) 、pH (1.5、4.5、7.5、10) 为3因素，以负载率、附着率以及200~550 ℃的NO转化率作为响应值，进行3因素4水平的正交实验。通过正交实验得到最优配方后，进行整体式蜂窝状V2O5-WO3-TiO2/堇青石催化剂的制备，并对其进行活性、抗C3H8、SO2和H2O中毒性能瞬态和稳定性测试，最后通过粒径检测、SEM、XPS、H2-TPR和NH3-TPD的表征手段，对SCR性能的影响因素进行分析，探究其对蜂窝状V2O5-WO3-TiO2/堇青石催化剂涂覆效果及SCR性能影响，以期为涂覆式蜂窝状催化剂的优化合成及其实际应用提供参考。

    1.   材料与方法

    1.1   催化剂的制备

    将一定量的偏钒酸铵 (NH4VO3，AR) 、偏钨酸铵 (H28N6O41W12，AR) 、二氧化钛 (TiO2，AR) 、30%酸性硅溶胶 (SiO2， (30±1) %SiO2水溶液) 、吐温-20 (C26H50O10，AR) 和聚乙烯醇溶液 (C2H4O，5%C2H4O水溶液) 依次溶解在去离子水中以获得浸渍液，用硝酸 (HNO3，GR) 和氨水 (H5NO，AR) 调节pH。将46 cpsi的商业蜂窝状堇青石 (250 mm×250 mm×300 mm) 作为载体，整体浸入溶液中以负载活性成分。使用洗耳球对通道进行吹扫疏通，然后将得到的样品置于110 °C的烘箱中烘干3 h，以蒸发催化剂表面的水和挥发性有机溶剂。之后，将所得的整体催化剂块转移到马弗炉中在120 ℃煅烧3 h，然后升温至550 °C煅烧5 h。获得V2O5质量分数为1%、WO3质量分数为9%的催化剂，记为V-W-Ti/CC。

    1.2   样品测试及表征

    1.2.1   负载与脱落效果

    催化剂的附着率测试是采用数控超声清洗仪 (昆山市超声仪器有限公司，KQ-400 DE) 进行，其工作功率为40 kW，振动频率为40 kHz。以超纯水为介质，将催化剂样品浸没在水中超声20 min后，于110 ℃下干燥5 h，称重测量催化剂涂层的质量损失。为减小实验的随机性，分别进行了6组平行实验。由式 (1) 和式 (2) 计算催化剂涂层的负载率和附着率。

    负载率=m1−m0m0 (1)
    附着率=1−m1−m2m1−m0 (2)

    式中：m0为空白堇青石的质量，g；m1为浸渍负载后催化剂的质量，g；m2为超声脱落后催化剂的质量，g。

    1.2.2   表征

    浆料的粒径通过Bettersize 300plus激光/图像粒度粒形分析仪 (丹东百特仪器有限公司) 进行测试。扫描电镜 (scanning electron microscope，SEM) 采用JSM-6700F (日本电子公司 (JEOL) ) 测定。X射线光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy，XPS) 采用ESCALAB 250Xi K-alpha (美国赛默飞公司) 测定，方法为单色化Al靶测试。H2-程序升温还原 (H2-temperature programmed reduction，H2-TPR) 采用化学吸附分析仪Chembet (美国康塔公司) 测定：每个样品在300 ℃下用N2预处理1 h；总流速为50 mL·min−1；之后以10 ℃·min−1的加热速率和10% H2/Ar 气体从50 ℃升温至700 ℃，依时间记录TCD信号。NH3-程序升温脱附 (NH3-temperature programmed desorption，NH3-TPD) 采用化学吸附分析仪Chembet (美国康塔公司) 测定：通入流量为50 mL·min−1 N2，以10 ℃·min−1升温至 300 ℃，预处理1 h；降温至100 ℃，保持气体总流量不变，吸附10% NH3/N2时间为1 h； 然后N2吹扫1 h，待基线稳定后，以 10 ℃·min−1升温至 750 ℃，依时间记录TCD信号。

    1.3   催化剂的活性评价

    活性测试在固定床反应装置 (北京金麟搏泰科贸有限公司) 中进行。用石英棉包裹整体式催化剂4周，然后置于石英反应管内部，在具有程序温控的反应炉中进行反应。将热电偶放置在石英反应管催化剂孔隙中以记录催化剂反应温度。使用烟气分析仪 (北京雪迪龙科技股份有限公司，SCS-900UV) 连续分析NO的变化情况。SCR反应条件：NO (体积分数0.1%) 、NH3 (体积分数0.1%)、 O2 (体积分数10%)、C3H8 (体积分数0.1%) 、SO2 (体积分数0.03%)、 H2O (体积分数7%)，N2作为平衡气，体积空速为5 556 h−1。在温度为200~550 ℃内间隔50 ℃采集数据，每个温度下至少反应30 min，进行SCR反应性能测试。NO转化率计算公式如式 (3) 所示。

    NO转化率=[NO]in−[NO]out[NO]in×100\% (3)

    式中：[NO]in为NO的进口体积分数；[NO]out为NO的出口体积分数。

    2.   结果与讨论

    2.1   正交实验

    浆料的质量是影响催化剂的重要因素[14]，也直接影响着催化剂涂层的质量。良好的涂层通常以均匀、高负载和强附着力为特征。通常认为负载率大于20%表示负载能力优秀；附着率大于90%附着性能良好[15]。基于大量数据，正交实验可科学地挑选出具有代表性的数据点，进行高效、简便的实验。前期含有PVA、吐温-20、聚乙二醇、可溶性淀粉、羧甲基纤维素钠的有机添加剂筛选实验结果表明，PVA和吐温−20共同存在的浆料稳定性最好，且该浆料制备的催化剂有着良好的负载和附着效果。之后进行了PVA和吐温−20的适宜质量分数筛选，发现当PVA质量分数超过0.5%、吐温−20质量分数超过0.2%时，浆料的流动性明显变差，催化剂表面发生浆料堆积和洞口堵塞现象。而当PVA质量分数小于0.2%、吐温−20质量分数小于0.05%时，催化剂表面出现大面积载体裸露，涂覆效果变差。因此，选取常用且适宜的PVA质量分数 (0.2%、0.3%、0.4%、0.5%) 和吐温-20质量分数 (0.05%、0.1%、0.15%、0.2%) 进行正交实验。此外，pH对催化剂也有着重要影响。DONG等[16]发现在钒酸溶液中，溶液酸度增加，催化剂表面酸性和活性中心的数量随之增加，从而提高了催化剂的脱硝活性。LI等[17]发现在pH为4时，钒钨钛浆料较稳定性。梁银等[18]在碱性条件下制备钒基催化剂发现，比酸性条件会使催化剂脱硝性能更好，故本实验选取pH (1.5、4.5、7.5、10) 进行正交实验。因此，最终选用PVA质量分数为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，吐温-20质量分数为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，pH为1.5、4.5、7.5、10，作为3因素4水平，以负载率、附着率以及200~550 ℃的NO转化率作为响应值，进行正交实验。考虑到当pH为7.5和10时，其在表面形成明显且多的裂痕，并且附着性很差，故不考虑其活性问题，结果如表1和表2所示。根据正交实验结果，分别列出了均值响应表 (表3) 、标准差响应表 (表4) ，并据此制出了均值主效应图 (图1 (a) ) 、标准差主效应图 (图1 (b) ) 。

    表 1  3因素4水平正交实验表 (负载率、附着率)
    Table 1.  Table of three-factor, four-level orthogonal experiments (loading rate, adhesion rate)
    编号 PVA质量分数 吐温质量分数 pH 负载率 附着率
    1 0.2% 0.05% 1.5 24.59% 91.86%
    2 0.2% 0.1% 4.5 29.66% 61.53%
    3 0.2% 0.15% 7.5 29.02% 55.70%
    4 0.2% 0.2% 10 22.86% 61.94%
    5 0.3% 0.05% 4.5 26.67% 54.99%
    6 0.3% 0.1% 1.5 27.26% 84.93%
    7 0.3% 0.15% 10 21.41% 49.33%
    8 0.3% 0.2% 7.5 28.85% 47.79%
    9 0.4% 0.05% 7.5 29.51% 47.19%
    10 0.4% 0.1% 10 23.96% 66.97%
    11 0.4% 0.15% 1.5 25.06% 96.12%
    12 0.4% 0.2% 4.5 26.76% 67.60%
    13 0.5% 0.05% 10 23.87% 50.14%
    14 0.5% 0.1% 7.5 25.42% 69.58%
    15 0.5% 0.15% 4.5 24.93% 82.15%
    16 0.5% 0.2% 1.5 25.23% 84.87%
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    表 2  3因素4水平正交实验表 (200~550 ℃的NO转化率)
    Table 2.  Table of three-factor four-level orthogonal experiments (NO conversion at 200~550 °C)
    编号 PVA 质量分数 吐温 质量分数 pH 反应温度
    200 ℃ 250 ℃ 300 ℃ 350 ℃ 400 ℃ 450 ℃ 500 ℃ 550 ℃
    1 0.2% 0.05% 1.5 35.05% 60.59% 93.41% 94.73% 95.25% 92.64% 90.67% 81.78%
    2 0.2% 0.1% 4.5 28.32% 57.62% 92.99% 93.92% 95.64% 92.84% 90.87% 81.98%
    5 0.3% 0.05% 4.5 29.31% 53.07% 93.00% 87.58% 94.46% 92.84% 91.07% 82.97%
    6 0.3% 0.1% 1.5 33.86% 59.83% 94.10% 92.34% 94.85% 93.04% 90.48% 81.39%
    11 0.4% 0.15% 1.5 35.64% 60.00% 95.56% 95.11% 95.84% 92.45% 90.87% 82.97%
    12 0.4% 0.2% 4.5 31.68% 57.03% 86.48% 90.16% 95.25% 93.04% 90.28% 81.39%
    15 0.5% 0.15% 4.5 22.38% 51.09% 87.66% 94.12% 94.26% 92.64% 89.29% 78.02%
    16 0.5% 0.2% 1.5 34.85% 61.58% 93.99% 94.91% 94.23% 93.44% 90.48% 79.80%
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    表 3  催化剂负载效果验证表
    Table 3.  Verification table of catalyst coating effect
    效果参数 样品1 样品2 样品3 样品4 样品5 样品6 均值
    负载率 26.29% 26.12% 28.02% 26.03% 26.31% 27.35% 26.69%
    附着率 93.23% 93.72% 94.49% 92.69% 97.05% 91.53% 93.79%
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    表 4  不同反应条件下V-W-Ti/CC催化剂的表面物种类型及价态分布情况
    Table 4.  Surface species types and valence distribution of V-W-Ti/CC catalysts for different reaction cases
    样品名称 Oα+β V3++V4+ W5+
    V-W-Ti/CC 41.3% 87.2% 25.1%
    V-W-Ti/CC C3H8反应后 35.2% 94.9% 3.3%
    V-W-Ti/CC SO2反应后 40.7% 72.8% 69.9%
    V-W-Ti/CC H2O反应后 36.2% 38.5% 99.7%
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    图 1  正交实验均值与标准差图
    Figure 1.  Diagram of mean and standard deviation of orthogonal tests
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    图1 (a) 表明，对于负载率、附着率以及200~550 ℃的NO转化率这3组响应值，pH的影响>吐温-20质量分数>PVA质量分数，并且当PVA质量分数为0.2%、吐温-20质量分数为0.1%且pH为1.5时理论上拥有最高的负载率、附着率和NO转化率。图1 (b) 表明，pH的离散性>吐温-20质量分数>PVA质量分数，这说明pH对其结果的影响波动最大，PVA质量分数对结果的影响波动较小。该正交实验的平均值为0.573 2，除了负载率和200 ℃的NO转化率越接近均值越好，附着率和250~550 ℃的NO转化率均越高于均值越好，因此反应在标准差响应表上则越高于平均标准差越好。在PVA质量分数为0.2%和0.5%、吐温-20质量分数为0.1%且pH为1.5和4.5时的标准差均在平均标准差以上，具有良好的负载率、附着率和NO转化率。综合来看，当PVA质量分数为0.2%、吐温-20质量分数为0.1%、pH为1.5条件下的浆料会有更合适的负载率、附着率和NO转化率。为验证该条件下的负载效果，对其制备的催化剂进行了验证，结果见表3。使用该优化配方制备的催化剂进行了6组平行实验，制备出催化剂的平均负载率为26.69%、平均附着率为93.79%，相比于其他对照实验组拥有最好的负载率和附着率。因此，采用PVA质量分数为0.2%、吐温-20质量分数为0.1%、pH为1.5的浆料进行后续SCR性能测试。

    2.2   催化剂活性及稳定性评价

    通过2.1正交实验筛选出的最优配方制备V-W-Ti/CC催化剂，并对其进行活性及稳定性测试 (图2) 。如图2 (a) 所示，使用该配方制备的V-W-Ti/CC催化剂有着良好的催化活性和抗中毒性能。在未中毒的情况下，300~550 ℃的NO转化率均大于80%，其中300~500 ℃的NO转化率大于90%；而C3H8和SO2中毒主要影响在低温250 ℃的情况下，其活性分别为50.8%和48.1%，相比于未中毒催化剂 (其活性为60%) 分别下降了9.2%和11.9%，但其在中高温区 (300~550 ℃) 仍有着良好的催化性能表现。但H2O中毒对其全部低温区间影响均较大，在200~300 ℃的NO转化率分别为20.3%、33.5%、62.5%，比未中毒催化剂 (其活性在200 ℃、250 ℃、300 ℃的活性分别为34.3%、60%、94.1%) 分别降低了14%、26.5%和31.6%，其在中高温区 (350~550 ℃) 有着良好的催化性能表现。之后，在350 ℃进行催化剂的稳定性测试。如图2 (b) 所示，在350 ℃时C3H8和SO2对该催化剂几乎没有影响，且NO转化率一直稳定在90%以上，H2O中毒的催化剂先出现明显下降再逐步提升，最终稳定在约88%，停止通入H2O后，催化剂的NO转化率缓慢提升。此前，李富宽等[19]制备整体式钒钨钛催化剂在300~500 ℃的SCR活性达到80%以上；SHEN等[20]制备的整体式钒钨钛催化剂在350~550 ℃的SCR活性达到80%以上。与以上催化剂相比，本研究制备的V-W-Ti/CC在300~550 ℃区间达到80%以上，拓宽了50 ℃的温度区间。此外，ZHAO等[21]制备的整体式钒钨钛催化剂在400 ℃时加入0.02% SO2或2% H2O情况下，活性仅稳定在约83%。而本研究制备的V-W-Ti/CC在375 ℃时加入0.03% SO2或7% H2O情况下，活性分别稳定在约93%或86%，催化活性有明显提升。以上均说明通过该浆料配方制备的V-W-Ti/CC催化剂面对C3H8、SO2和H2O中毒时均有良好的抗中毒性能和稳定性。

    图 2  V-W-Ti/CC催化剂SCR及抗中毒情况
    Figure 2.  SCR and anti-poisoning performance of V-W-Ti/CC catalysts
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    2.3   催化剂物理化学性质分析

    为探究使用PVA和吐温-20拥有更好负载率和附着率的原因，进行了粒径分析和SEM表征，并针对催化剂拥有良好催化活性及在C3H8、SO2和H2O反应后催化剂在低温区明显下降而中高温区仍保持催化活性的原因进行了XPS、NH3-TPD和H2-TPR表征，分析结果如下。

    1) 催化剂粒径及表面形貌分析。涂层附着力与浆料的粒径有关。载体涂层的粘附有2种机械机制，分别为载体涂层颗粒之间的“锚定”和互锁，以及载体表面的不规则性和粉末颗粒之间发生的固体界面力[22]。因此，为获得成功的整体涂层，催化剂颗粒应小于表面粗糙度[23]。由于堇青石载体的大孔隙率约为5 μm，故负载粒径最佳范围应小于5 μm[24]。大粒径的存在会导致浆料沉淀速度快、在堇青石表面堆积，导致浆料不能进入堇青石内部发生锚定作用，故导致脱落效果明显[9]图3 (a) 表明，该配方制备的催化剂浆料粒径为0~35 μm，其集中分布区域为0.2~0.7 μm、0.7~5 μm、5~30 μm，其中粒径在0.2~0.7 μm浆料最多。小于5 μm粒径浆料质量分数为83%，且其平均粒径为3.5 μm，小于堇青石载体的孔径，这可能是该配方所制备的浆料的负载率和附着率较好的原因。

    图 3  催化剂粒径及表面分析图
    Figure 3.  Particle size and surface analysis diagram of catalyst
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    通过扫描电镜观察不同添加剂对催化剂的微观组织形貌的影响，结果见图3 (b) 。在放大5 000倍的情况下，该配方制备的催化剂颗粒较均匀，无明显团聚作用，这与粒径测试结果相一致。

    2) 催化剂表面物种及价态分析。催化剂的表面物种类型及其价态分布情况可通过XPS检测结果进行分析 (图4) 。NH3-SCR是一种有氧参与反应，表面活性氧对催化活性至关重要。O 1s测试结果如图4 (a) 所示。一般来说，位于529.72~529.96 eV 的峰 (Oγ) 对应于晶格氧O2-[25]。而在531.42~532.12 eV的峰 (Oβ) 对应于表面化学吸附的氧物质或氧物质的电离[26-27]。介于533.01~533.16 eV的峰(Oα) 被认为是羟基物质或吸附水[28]。其中，Oα和Oβ均属于表面活性氧物种，具有较高迁移率，有利于NO氧化成NO2进行快速SCR反应和不同价态活性物种之间进行氧化还原循环[29]。根据O 1s光谱定量得出(Oα+Oβ)/(Oα+Oβ+Oγ)的相对比值，如表4所示。与V-W-Ti/CC催化剂相比，经过C3H8、SO2和H2O反应后的催化剂表面上的不稳定氧物种质量分数均有下降，从而导致了催化剂催化活性下降，这与2.2性能测试结果相一致。

    图 4  V-W-Ti/CC催化剂的XPS图
    Figure 4.  XPS of V-W-Ti/CC catalysts
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    如图4 (b) 为催化剂的V 2p XPS光谱。V 2p1/2峰的位置在524.13~524.18 eV，V 2p3/2峰的位置在516.18~516.58 eV[30]。V 2p3/2 XPS 峰分为V5+、V4+和V3+ 3个峰，分别对应于517.04~517.43 eV、516.45~516.48 eV、515.60~515.76 eV[31]。SCR活性与催化剂的表面(V3++V4+)/Vn+相关[32]。通过峰值反卷积计算表面上V5+、V4+和V3+物种的分布情况，如表6所示。除了经过C3H8反应后的催化剂低价态V3+和V4+这两者比例有所升高，而经SO2和H2O中毒的催化剂均明显下降。V3+和V4+被认为是催化剂中的缺陷V位点，催化剂表面缺陷越多，催化剂表面与NH3的反应越活跃，使得催化剂表面酸性位点强度增加[30]。经SO2和H2O反应后的催化剂V3+和V4+的含量明显下降，故降低了其SCR催化活性，这与活性测试结果相一致。

    图4 (c) 为催化剂的W 4f XPS图谱。W5+和W6+的W 4f7/2的结合能分别为35.45~35.51 eV和35.94~36.19 eV。W5+和W6+的W 4f5/2分别为37.62~37.93 eV和38.22~38.64 eV[33]。与V-W-Ti/CC催化剂相比，经C3H8反应后的催化剂W5+/(W5++W6+)的比例明显减少，这可能是导致在C3H8存在时活性下降的主要原因。此外，虽然SO2和H2O制备的催化剂的W5+/(W5++W6+)的比例增加，但其W 4f的结合能明显变小，这可能是因为SO2和H2O的添加影响了WOx物种的周围环境，促进了四面体WOx向八面体WOx的转化，而这种转化会削弱WOx物种的还原性，并不利于活性提高[34]，因此同样导致催化剂活性下降。

    图4 (d) 为Ti 2p 的XPS图谱。4种催化剂的Ti 2p1/2位于464.39~464.75 eV，Ti 2p3/2 的峰位于458.70~459.06 eV，这是锐钛矿中Ti4+物种的特征二氧化钛[35-36]。V-W-Ti/CC催化剂和经C3H8反应后的催化剂结合能较低，这说明Ti为富电子状态。而经SO2和H2O催化剂结合能变大。这可能表明SO2和H2O会抑制Ti物种的结合能，使其向高结合能转变[37]。

    综上所述，C3H8反应后的催化剂表面活性氧和活性W5+物种质量分数降低，而活性V3+和V4+物种质量分数升高的现象。这可能是由于C3H8与NH3同时竞争V位点，C3H8氧化过程中生成的CO等中间体会抑制V4+的进一步氧化[38]，从而维系了部分V4+物种的数量。V物种的抑制间接促进了W=O直接与NO的氧化活化反应[39]，从而使W5+物种质量分数降低。SO2和H2O反应后的催化剂表面活性氧和活性V3+和V4+质量分数降低，且活性W5+质量分数升高的现象。这可能是由于在SO2存在时，V3+被氧化形成VOSO4[40]，同时SO2与W-O-W发生反应，W6+被还原为W5+[41]。而H2O存在的条件下，H2O与NH3竞争活性位点，并且使Lewis酸性位点羟基化，抑制Brønsted酸上的NH4+和NO的相互反应[42]，从而导致表面活性氧和活性V3+和V4+由于质量分数降低，且活性W5+含量升高的现象。虽然SO2和H2O反应后活性W5+质量分数升高，但由于其添加影响了WOx物种的周围环境，削弱WOx物种的还原性，并不利于活性提高[43]，同样会导致催化剂活性下降。

    3)催化剂表面酸性分析。催化剂的酸量及强度可用NH3-TPD进行分析 (图5) 。新鲜和反应后的催化剂均出现3个脱附峰。其中，169 ℃对应的峰为弱Brønsted酸位上氨物种的脱附峰，387 ℃左右对应的脱附峰为强Brønsted酸上氨物种的脱附峰[44]，540 ℃左右为 Lewis强酸位的脱附峰[45]。表5表明，与新鲜催化剂相比，加入C3H8、SO2和H2O反应后的催化剂在低温区的物理吸附的酸强度和物种变化甚微，而在中温区不仅Brønsted酸强略有增加且物种增多。这可能是由于C3H8反应时生成的中间体、SO2反应时生成的硫酸盐及H2O存在时将部分Lewis酸性位转化为Brønsted酸位，从而出现中温区酸量增多的现象。同时，高温区Lewis酸强度略有降低。在低温时，V2O5-WO3/TiO2催化剂的脱硝效果主要依赖中性酸位数量和氧化还原性能[46]。虽然加入C3H8、SO2和H2O反应后的催化剂有着数量更高的中性酸数量但是其氧化还原性能明显下降 (见2.3.4) 。此外，C3H8、SO2和H2O存在时与NH3竞争反应位点，使NH4+和配位NH3无法参与反应，从而降低了吸附NH3反应速率，进而减弱了催化剂在低温条件下的催化效果。而中高温时，主要依靠V位点提供的强Lewis酸位维持其热稳定性，C3H8、SO2和H2O反应后的催化剂仍保持着较多数量的酸性数量。根据前人研究得知，在中高温时，C3H8[38]、SO2[47]和H2O[48]对催化剂的抑制作用减弱，因此这可能是催化剂在低温下活性下降但仍能保持中高温活性不变的原因。

    图 5  V-W-Ti/CC催化剂NH3-TPD图
    Figure 5.  NH3-TPD of V-W-Ti/CC catalysts
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    表 5  V-W-Ti/CC催化剂反应前后表面酸性对比
    Table 5.  Comparison of surface acidity of V-W-Ti/CC catalysts before and after the reaction
    样品名称 峰位置及酸量
    低温区/ ℃ 酸量/ (μmol·g−1) 中温区/ ℃ 酸量/ (μmol·g−1) 高温区/ ℃ 酸量/ (μmol·g−1) 总酸量/ (μmol·g−1)
    V-W-Ti/CC 169 71 385 293 546 445 808
    V-W-Ti/CC C3H8反应后 169 69 388 381 538 486 936
    V-W-Ti/CC SO2反应后 169 67 389 358 534 498 923
    V-W-Ti/CC H2O反应后 169 70 385 348 534 551 969
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    4)催化剂氧化还原性能分析。催化剂的氧化还原能力可通过H2-TPR检测结果 (图6) 进行分析。新鲜的V-W-Ti/CC催化剂在515 °C和704 °C处出现2个还原峰。其中，以515 ℃为中心的为V5+还原为V3+的还原峰[49]和W6+还原为W4+的还原峰的重叠[50]，以703 ℃为中心的为W4+还原为W的还原峰[51]。与新鲜催化剂相比，C3H8、SO2和H2O反应后的V-W-Ti/CC催化剂还原峰位置并无明显变化，但还原峰面积明显减少。这表明H2消耗量有显著降低，亦说明在经过C3H8、SO2和H2O反应后，催化剂表面高价态V5+或W6+以及W4+含量均有下降，这与XPS结果一致。因此，降低催化剂的氧化还原性能，会导致低温下的催化剂的活性有明显下降。

    图 6  V-W-Ti/CC催化剂H2-TPR图
    Figure 6.  H2-TPR of V-W-Ti/CC catalysts
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    3.   结论

    1) 当PVA和吐温-20质量分数分别为0.2%和0.1%，pH为1.5时制备的浆料有较好的负载率、附着率和NO转化率。在添加C3H8、SO2和H2O反应后，该催化剂在低温下有明显抑制作用。2) 该配方制备的浆料其粒径<5 μm的比例高达83%，这可使粒径和载体更好的发生“锚定”和互锁，使其具有更好的负载率和稳定性。C3H8、SO2和H2O对催化剂的抑制作用主要归结为降低催化剂的氧化还原性能。虽然低温下抑制作用明显，但是使用该配方制备的V-W-Ti/CC催化剂在中高温区 (300~550 ℃) 仍有着良好的催化活性和抗中毒性能。3) 低温时，C3H8、SO2和H2O存在时竞争反应位点，使NH4+和配位NH3无法参与反应，从而降低了催化剂在低温条件下的催化效果。而中高温时，由于C3H8、SO2和H2O反应后的催化剂仍保持着较多数量的强酸数量，并且C3H8、SO2和H2O对催化剂的抑制作用减弱，故保持了较好的中高温活性。在350~500 ℃区间活性、C3H8、SO2和H2O反应催化活性均大于80%以上，且350 ℃的稳定性均高于88%。4) 该催化剂面对C3H8、SO2和H2O中毒时均有良好的抗中毒性能和稳定性。该配方制备的催化剂具有优异的SCR性能，是制备涂覆型整体式催化剂的优良浆料配方。

  • 图 1  SBR装置示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of SBR device

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    图 2  OMS-2的表征结果

    Figure 2.  Characterization results of OMS-2

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    图 3  OMS-2的扫描电镜图

    Figure 3.  SEM images of OMS-2

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    图 4  不同处理情况COD和X-3B脱色率的变化

    Figure 4.  Changes of COD removal efficiency and decolorization ratio under different treatments

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    图 5  不同SBR中细菌分类(门)的群落组成相对百分比

    Figure 5.  Relative abundance of different bacterial community structure at phylum levels under different treatments

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    图 6  不同SBR中菌群的热图分析结果

    Figure 6.  Microbial community heatmap analysis result under different treatments

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    图 7  OMS-2的XPS图

    Figure 7.  XPS spectra of OMS-2

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    表 1  不同SBR中细菌多样性指数的变化

    Table 1.  Change of microbial diversity indices in different SBRs

    样品有效序列ACE指数Chao1指数Simpson指数Shannon指数
    S042 460801.90785.640.925.16
    S134 409805.63833.050.955.73
    S241 8191 436.401 404.690.967.92
    S352 657694.18682.190.592.82
    样品有效序列ACE指数Chao1指数Simpson指数Shannon指数
    S042 460801.90785.640.925.16
    S134 409805.63833.050.955.73
    S241 8191 436.401 404.690.967.92
    S352 657694.18682.190.592.82
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-22
  • 录用日期:  2019-06-07
  • 刊出日期:  2020-01-01
陈鑫宇, 王道雄, 潘飞, 徐少伟, 冉懋君. 基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
引用本文: 陈鑫宇, 王道雄, 潘飞, 徐少伟, 冉懋君. 基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
shu
CHEN Xinyu, WANG Daoxiong, PAN Fei, XU Shaowei, RAN Maojun. Effect of OMS-2 on microbial community of SBR system through high-throughput sequencing[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
Citation: CHEN Xinyu, WANG Daoxiong, PAN Fei, XU Shaowei, RAN Maojun. Effect of OMS-2 on microbial community of SBR system through high-throughput sequencing[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(1): 244-252. doi: 10.12030/j.cjee.201903155
shu

基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响

    通讯作者: 冉懋君(1974—)，男，学士，八级职员。研究方向：废水处理与资源化。E-mail：673810216@qq.com
    作者简介: 陈鑫宇(1991—)，男，学士，助理工程师。研究方向：废水处理与资源化。E-mail：445091963@qq.com
  • 1. 华中科技大学同济医学院附属同济医院，武汉 430030
  • 2. 武汉纺织大学，纺织印染清洁生产教育部工程研究中心，武汉 430073
  • 收稿日期:  2019-03-22
  • 录用日期:  2019-06-07
  • 网络出版日期:  2020-01-20
基金项目:
湖北省自然科学基金一般面上项目(2018CFB515)

摘要: 随着纳米材料的广泛应用，越来越多的纳米材料随着废水进入污水处理厂，纳米材料对污水生物处理系统的潜在影响越来越受到重视。探讨了氧化锰八面体分子筛(manganese oxide octahedral molecular sieve, OMS-2)纳米颗粒对序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)中活性污泥微生物群落结构的影响；以活性艳红X-3B溶液模拟印染废水，将不同浓度的OMS-2混入稳定运行的SBR中，采用Illumina MiSeq高通量测序分析技术，对不同SBR中微生物分布规律进行了研究。结果表明：SBR添加0.25 g·L−1的OMS-2后，其COD去除率和脱色率分别提升了6%和13.6%；Illumina MiSeq高通量测序显示，在混入0.25 g·L−1的OMS-2后，SBR内污泥菌群中拟杆菌门(Bacteroidetes)和变形菌门(Proteobacteria)的微生物DNA序列操作分类单元(operational taxonomic units，OTU)分别增加了16.8%和96.4%，这2类菌种可能提升了SBR降解有机污染物的能力；不同浓度的OMS-2改变了菌群的多样性和结构，低浓度的OMS-2可以提升微生物菌群的多样性和改变菌群的结构。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，OMS-2在SBR中存在锰(Ⅳ)/锰(Ⅲ)转变为锰(Ⅱ)的氧化还原反应，该过程可能影响了菌群的组成。研究为纳米材料的实际应用和环境风险提供了参考。

English Abstract

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  • 印染废水具有高化学需氧量、高色度的特点，含有大量“三致”毒性的难降解有机污染物，是一种很难处理的废水[1]。现阶段，国内外处理印染废水的方法有吸附法、高级氧化法和膜过滤等[2]。纳米氧化锰八面体分子筛(manganese oxide octahedral molecular sieve，OMS-2)含有不同价态的Mn 离子，结构上又是多孔形貌，具备良好的离子交换性[3]，作为高级氧化技术中的一种，纳米催化剂在近年获得广泛的关注[4]；DUAN 等[5]采用OMS-2/PMS 体系，研究酸性橙II(AO7)在可见光下的降解，发现OMS-2/PMS能明显提高印染废水的脱色率。喻阳等[2]采用磁性OMS-2/SBR耦合处理活性染料X-3B废水发现，发现处理磁性OMS-2在酸性条件下，催化PMS氧化去除X-3B的效果较好。

    但是，纳米OMS-2这一类人工纳米材料(manufactured nanomaterials，MNMs)释放到水体后，在水环境中会发生一系列的行为变化，如分散-团聚-沉降-再悬浮、吸附-解吸-被吸附、生物黏附-吞食-累积-放大等[6]。微生物在城市污水处理厂(wastewater treatment plants，WWTPs)的污水生物处理系统中发挥着至关重要的作用，WWTPs的处理效率很大程度上取决于微生物群落的组成和活性。现阶段，已有研究表明，在WWTPs中检出了纳米TiO2[7]，这些MNMs独特的物理化学属性可能给污水生物处理的效果带来难以预料的影响，其与污泥的相互作用可能会对污水处理效能和微生物特性产生影响。CHEN等[8]发现，暴露于50 mg·L−1纳米Al2O3颗粒后，大量吸附于活性污泥表面的纳米Al2O3颗粒降低了反硝化菌的数量。LIANG等[9]发现，经过纳米Ag颗粒的冲击负荷后，氨氧化菌和亚硝化菌的数量均出现降低，而硝化菌则完全消失。SIMONIN等[10]研究发现，纳米TiO2能显著影响硝化菌及反硝化菌的活性及丰度，而亚硝酸盐氧化菌的活性则基本不受纳米TiO2投加量的影响。

    本研究在前期研究的基础上，针对纳米材料残留对污水生物处理系统混合菌群影响尚未明确的问题，将不同浓度的纳米OMS-2混入序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)中，探讨纳米OMS-2对SBR运行情况和活性污泥微生物菌群的影响，为MNMs的实际应用和环境风险的研究提供参考。

1.   实验材料和方法

    1.1.   实验材料

  • 试剂：过硫酸氢钾(PMS)为进口分析纯(购自美国Aladdin Industrial Corporation)，高锰酸钾、硫酸锰、氢氧化钠、浓盐酸等均为国产分析纯，活性艳红X-3B为国产化学纯。

    纳米氧化锰八面体分子筛(OMS-2)采用回流法[11]制备：在30 mL去离子水中加入60 mmol MnSO4 和 3 mL 硝酸制成溶液1，将38 mmol KMnO4溶解在 100 mL去离子水中制成溶液2；将溶液2逐滴加入溶液1中，持续搅拌，在温度为110 ℃的条件下，获得暗棕色沉淀；然后，将沉淀在回流温度下保温过夜，用去离子水多次洗涤；最后，在120 ℃的条件下，干燥12 h，获得纳米OMS-2。

    • 1.2.   实验装置和方法

  • 为了研究OMS-2对SBR系统微生物群落结构的影响，分别取0.05、0.25和1.25 g·L−1浓度梯度的OMS-2，加入3个不同有机玻璃序批式反应器(SBR)中，并设置1组SBR装置作为空白对照(不添加OMS-2)，相关SBR对应编号为S0(空白)、S1(含0.05 g·L−1的OMS-2)、S2(含0.25 g·L−1的OMS-2)和S3(含1.25 g·L−1的OMS-2)；实验装置如图1所示，反应器的容积均为2 L，将相同规格的曝气头置于SBR中，并用硅胶管将其与曝气泵连接，水中溶解氧浓度由流量计来控制。

    SBR 运行参数：水力停留时间为20 h，循环时间为12 h(曝气11.5 h，进水和放水时间0.5 h)，空气流速为1.5 L·min−1，交换率为60%，污泥停留时间为5 d；反应器的进水以葡萄糖为碳源，NH4Cl和KH2PO4分别为氮源和磷源，进水参数为X-3B 50 mg·L−1，COD 800 mg·L−1，pH 6.8~7.2。测定不同浓度OMS-2条件下连续30 d对SBR降解X-3B和COD指标的变化情况。

    反应器接种污泥取自武汉纺织大学污水处理站好氧消化池污泥，该污泥经70 d驯化后，具有良好的降解X-3B废水的能力；污泥相关参数为：pH 6.8~7.2，MLSS 4 098 mg·L−1，MLVSS 2 665 mg·L−1。

    • 1.3.   DNA的提取和PCR扩增及其微生物多样性分析

  • 在4个SBR运行30 d后，采集活性污泥样品。首先，采用OMEGA土壤基因组DNA提取试剂盒进行DNA提取[12]。PCR扩增区域选择活性污泥样品16S rRNA的V4区域，合成融合引物，引物PAGE纯化，其引物序列为F：5'-AYTGGGYDTAAAGNG-3'；R：5'-TACNVGGGTATCTAA TCC-3'。PCR反应体系以20 ng·μL−1 RNA为模板，PCR的扩增条件[4]为：98 ℃预变性30 s后，27个PCR循环(98 ℃变性30 s，50 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s)，72 ℃延伸5 min，最后保持在4 ℃条件下。0.8% 琼脂糖凝胶电泳检测，切割回收，使用DNA胶回收试剂盒回收。采用BioTek酶标仪对各个样品定量。接着构建DNA文库，使用Agilent 2100对PCR富集片段进行质量控制，验证DNA文库的片段大小及分布。最后采用Illumina MiSeq高通量测序平台进行基因测序。

    在Illumina MiSeq平台测序完成后，根据序列的相似度，应用Qiime，将序列归为多个操作分类单元(operational taxonomic units，OTU)，OTU的相似性水平是97%。根据获得的OTU数据，做出每个样品的稀释曲线，对OTU列表中获得的分类信息与丰度进行整理，在属层次下对各样品进行物种丰度统计、聚类分析等数据分析。

    • 1.4.   分析方法

  • 利用SEM、XRD、XPS等测试方法对OMS-2进行表征，采用紫外分光光度法[2]测定538 nm处吸光度值，确定模拟印染废水中X-3B浓度。

2.   结果与讨论

    2.1.   OMS-2对SBR运行情况的影响

  • 对OMS-2样品的结构进行分析，所得X射线衍射分析(XRD)结果见图2(a)，所得傅氏转换红外线光谱(FT-IR)分析结果见图2(b)；样品XRD图谱与标准品(JCPDS29-1020)比对[3]，所有的特征峰都吻合，说明本实验制备的样品是OMS-2。样品微观形貌的扫描电镜分析结果见图3。

    由图3(a)可知，OMS-2为柱状纳米颗粒，粒径为(40~60 nm)×(150~300) nm；图3(b)是将OMS-2以0.25 g·L−1的浓度与活性污泥反应30 d后的扫描电镜图片，由图3(b)可看出，OMS-2已经被SBR中活性污泥包裹起来，说明活性污泥和OMS-2紧密结合。

    OMS-2对SBR的影响如图4所示。不同浓度的OMS-2投入到SBR后，其对COD去除率和脱色率的影响呈先促进后抑制的变化趋势：当OMS-2浓度不超过0.25 g·L−1时，SBR中的COD去除率和脱色率可以提高；但当OMS-2的浓度超过0.25 g·L−1时，OMS-2会抑制COD的去除和脱色。有研究表明，多孔结构物质有利于污泥中菌体的附着生长，加速活性污泥颗粒的形成[2]；OMS-2长时间置于SBR中，会释放少量的锰离子，有利于激活污泥中某些菌体的胞外酶活性[4]，从而可以提高SBR去除COD和降解X-3B的效果。但是，如果水中锰离子的浓度过高，就会抑制污泥中菌体的生长[13]，从而抑制活性污泥的形成和降低SBR的运行效果。

    • 2.2.   微生物多样性分析

  • 4个SBR中活性污泥菌群经过Illumina MiSeq高通量测序平台进行基因测序后，共获得171 345条有效序列，表1为不同SBR中菌群的有效序列分布情况。ACE指数、Chao1指数是生态学上用于表明微生物群落丰富度的指数，数值越大，表明群落丰富度越高[14]。Shannon指数和Simpson指数是生态学上用于表征微生物群落多样性的指数，Shannon值越大，说明群落多样性越高[11]，Simpson值越大，说明优势微生物占微生物群落总生物量越高[15]。

    由表1可知，随着OMS-2浓度的增加，SBR中ACE指数和Chao1指数呈先增加后降低的变化趋势；以Chao1指数为例，OMS-2的浓度由S1(0.05 g·L−1的OMS-2)提升到S2(0.25 g·L−1的OMS-2)时，Chao1指数相对于S0(空白)上升的幅度分别是6.03%和78.79%；但是OMS-2的浓度继续上升到S3(含有1.25 g·L−1的OMS-2)时，Chao1指数则相对于S0下降了13.17%。ACE指数和Shannon指数的变化趋势与Chao1指数基本一致。Simpson指数随着OMS-2浓度的增加，也呈先增加后降低的变化趋势；Simpson指数相对于S0(空白)，首先上升了3.26%(S1)和4.35%(S2)，然后下降了35.87%(S3)，这说明低浓度OMS-2有利于提升SBR中优势微生物种群占总生物量的比例，高浓度OMS-2则会降低优势微生物种群占总生物量的比例。

    将SBR中获取的活性污泥菌群DNA序列与Greengenes OTU数据库进行比对，获知SBR中菌群主要由12个门的微生物组成，如图5所示。反应器中微生物可以分为酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、装甲菌门(Armatimonadetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、黏胶球形菌门(Lentisphaerae)、浮霉菌(Planctomycetes)、变形菌门(Proteobacteria)和栖热菌门(Thermi)等12个门。由图5可知，随着OMS-2浓度的增加，不同微生物的数量呈现不同的变化情况。其中：有的微生物在不同OMS-2浓度的情况下，数量基本上一直保持不变，如酸杆菌门(Acidobacteria)；有的微生物随着OMS-2浓度的增加，数量呈现先增加后下降的变化趋势，如放线菌门(Actinobacteria)、装甲菌门(Armatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)、黏胶球形菌门(Lentisphaerae)和浮霉菌门(Planctomycetes)；有的微生物在较低浓度OMS-2的情况下，数量基本不变，较高浓度OMS-2(1.25 g·L−1)的情况下，数量明显变化，如厚壁菌门(Firmicutes)和栖热菌门(Thermi)；有的微生物随着OMS-2浓度的增加，数量呈先增加后下降，接着又增加的波浪变化趋势，如相对于S0，在S1、S2和S3中，拟杆菌门(Bacteroidetes)菌种OTU数量分别增加了45.0%、16.8%和70.0%；有的微生物随着OMS-2浓度的增加，数量也一直保持增加，如相对于S0，在S1、S2和S3中，变形菌门(Proteobacteria)菌种OTU数量分别增加了50.8%、96.4%和126.2%。

    浮霉菌门(Planctomycetes)和变形菌门(Proteobacteria)是具有脱氮功能的微生物[16]，这2类菌种数量的增加有利于提升SBR的脱氮能力；拟杆菌门(Bacteroidetes)数量的增加有利于缓解菌群的代谢紊乱并提升菌群的新陈代谢水平[17]。拟杆菌门(Bacteroidetes)和变形菌门(Proteobacteria)都可以强化SBR降解有机污染物的能力[18-19]。绿弯菌门(Chloroflexi)是一类构成污泥菌胶团絮状体的重要菌种，普遍存在于污水处理厂中[20]，该菌可以将CO2转变为丙酮酸而具有固碳的作用。有研究[21]表明，绿弯菌门(Chloroflexi)也可以提升污水反应器降解污染物的能力。因此，OMS-2加入SBR后，在低浓度下强化了SBR处理污染物的能力，这一点和图4中COD和脱色率的变化情况是一致的。

    • 2.3.   样品的聚类分析和热图

  • 通过Illumina MiSeq高通量测序，鉴定出SBR中54种丰度大于0.2%的菌种，菌群的热图分析结果如图6所示。热图是在菌种属的分类水平进行聚类后，依据高丰度和低丰度的菌种分块聚集，通过颜色梯度和相似度，在菌种属的分类水平反映菌落结构的差异性[22]。由图6可知，在S0(空白)、S1(0.05 g·L−1的OMS-2)、S2(0.25 g·L−1的OMS-2)和S3(1.25 g·L−1的OMS-2)的浓度梯度下，SBR中菌群结构发生了明显的变化。根据菌群结构变化规律，54种菌种可以分为4个集群，第1个集群从B01寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)到B25无色杆菌属(Achromobacter)，这25种是S1条件下(0.05 g·L−1的OMS-2)的高丰度微生物；第2个集群从B10嗜碱菌属(Alkaliphilus)到B36类芽孢杆菌科(Paenibacillaceae)，这27种是S2条件下(0.25 g·L−1的OMS-2)的高丰度微生物；第3个集群从B37黏球菌目(Myxococcales)到B43甲基杆菌属(Balneimonas)，这7种是S0条件下(空白)的高丰度微生物；第4个集群从B44丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)到B54丝状菌科(Chitinophagaceae)，这11种是S3条件下(1.25 g·L−1的OMS-2)的高丰度微生物。

    有研究[4]表明，低浓度的OMS-2有利于提升菌群的新陈代谢水平和强化菌群降解有机物污染物的能力，而在高浓度下则具有抑制作用。S1和S2条件下高丰度的菌种数量明显高于S0和S3条件下的，说明低浓度OMS-2可以提升菌群中高丰度菌种的数量，这个结果与已有研究结果[11]一致。

    • 2.4.   OMS-2变化机理分析

  • OMS-2中含有不同的锰氧化态(如Mn(Ⅳ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅱ))。Mn(Ⅲ)/Mn(Ⅳ)氧化物稳定且相对不溶，而Mn(Ⅱ)氧化物可以在酸性条件下溶解。为了研究OMS-2中Mn氧化态物质的变化，在进行SBR实验前后，分别测量OMS-2的XPS光谱。对于OMS-2的Mn2p3/2光谱，发现在642.0 eV和643.8 eV处具有65.11∶34.89的峰面积比的2个峰(图7(a))，并且这些峰可以被认为是Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)氧化态。在进行SBR实验后，在OMS-2中鉴定出Mn(Ⅱ)氧化态的第3个峰，测定其峰面积比为58.47∶38.48∶3.04(Mn(Ⅳ)∶Mn(Ⅲ)∶Mn(Ⅱ))(图6(b))。XPS的结果表明，在SBR中，OMS-2中锰氧化态分布发生了明显的变化，说明Mn(Ⅳ)/ Mn(Ⅲ)发生了氧化还原反应。

    通常情况下，异构Mn(Ⅳ)还原微生物包含2个主要部分[11]：1)Mn(Ⅳ)-微生物(FMR)，它通过保存从电子转移到Mn(Ⅳ)的能量而支持生长；2)非Mn(Ⅳ)-微生物(Non-FMR)，FMR广泛分布在细菌和古菌以及生长过程通过氧化有机化合物、氢或单质硫来还原Mn(Ⅳ)的微生物中。

    锰离子可以作为细菌体内各种氧化酶、DNA聚合酶的辅助因子，与细胞的生长、代谢以及毒力密切相关[23]。Illumina MiSeq高通量测序结果表明，低浓度的OMS-2可以提高芽孢杆菌属(Bacillus)等锰氧化还原菌在微生物群落中的丰度；有研究[24]表明，锰氧化还原菌可以和锰离子反应，生成具有高的催化氧化能力和比表面积的生物氧化锰，进而通过吸附和氧化作用去除污水中的污染物。这可能与OMS-2混入SBR系统后改变了COD和色度的去除效果有关。

3.   结论

  • 1) OMS-2添加到SBR中，与对照实验相比，在OMS-2浓度为0.05~0.25 g·L−1时，脱色率增大，在浓度为0.25~1.25 g·L−1时，脱色率降低，但总体上来说，添加OMS-2能提高脱色率。

    2)不同浓度的OMS-2改变了菌群的多样性和结构，低浓度的OMS-2(0.05~0.25 g·L−1)可以提升微生物菌群的多样性和改变菌群的结构。

    3)在污水生物处理过程中，OMS-2中Mn(Ⅳ)/Mn(Ⅲ)具有很好的氧化还原活性，该过程可能影响了菌群的组成。

参考文献 (24)

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