蠕虫床污泥减量对A<sup>2</sup>O-MBR系统中细菌特性的影响

黄丹平; 李俐频; 张军; 李慧; 左薇; 李安然

doi:10.12030/j.cjee.201905003

蠕虫床污泥减量对A²O-MBR系统中细菌特性的影响

1.
哈尔滨工业大学环境学院，哈尔滨 150090
2.
河北大学化学与环境科学学院，保定 071002

作者简介: 黄丹平(1993—)，女，硕士，工程师。研究方向：污泥减量。E-mail：huangdanping1993@163.com

通讯作者: 李俐频(1989—)，女，博士，助理研究员。研究方向：污水处理。E-mail：lipinlee@hit.edu.cn;

基金项目:
哈尔滨市应用技术研究与开发项目(2017AB4AS035)；国家自然科学基金资助项目(51708167)
中图分类号: X703.1

Effects of worm predation and sludge reduction on bacterial characteristics of an anaerobic-anoxic-oxic-membrane bioreactor (A²O-MBR)

1.
School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
2.
School of Chemistry and Environmental Science, Hebei University, Baoding 071002, China

Corresponding author: LI Lipin, lipinlee@hit.edu.cn ;

摘要: 蠕虫捕食是实现污泥减量最有前景的技术之一，具有高效和环保的优点。为了考察蠕虫捕食对污水处理系统微生物特性的影响，建立了厌氧-缺氧-好氧-膜生物反应器(A²O-MBR)与蠕虫床耦合系统，并以传统的A²O-MBR、A²O-MBR-空白蠕虫床耦合系统为对照，3组系统同时稳定运行120 d，采用16S rRNA高通量测序对反应器的微生物特性进行对比分析研究。结果表明，A²O-MBR-蠕虫床系统微生物丰度变大，多样性降低，有效促进了优势菌的富集；耦合系统中脱氮除磷功能菌得到强化，其中反硝化除磷菌比例达12.71%，使脱氮与除磷过程相互协同，蠕虫床的耦合提高了A²O-MBR系统脱氮除磷效能。以上研究结果为蠕虫捕食技术在污泥减量与污水处理中的工程应用提供了一条有效途径。
- 蠕虫捕食 /
- 污泥减量 /
- 高通量测序 /
- 微生物群落 /
- 反硝化除磷
Abstract: Worm predation is one of the most promising sludge reduction technologies, with the advantages of high efficiency and environmental friendliness. In order to investigate the effects of worm predation on the bacterial characteristics of the wastewater treatment process, a combined system of an anaerobic-anoxic-oxic-membrane bioreactor (A²O-MBR) and worm reactor was established. A conventional A²O-MBR and a combined system of A²O-MBR and blank worm reactor were established as two control systems. The bacterial characteristics of three systems were analyzed by high-throughput sequencing of the 16S rRNA gene after 120 days stable operation. The results showed that the microbe richness increased while the diversity decreased in the A²O-MBR-worm reactor system, which promoted the enrichment of the dominant bacteria. In the combined system, the functional bacteria for nitrogen and phosphorus removal were enriched, of which the abundance of denitrifying phosphorus removal bacteria reached 12.71%, and the synergistic removal of nitrogen and phosphorus occurred. The combination of worm predation improved the removal efficiencies of nitrogen and phosphorus in A²O-MBR system. This study provided an efficient approach for practical application of worm predation for sludge reduction and wastewater treatment.
- worm predation /
- sludge reduction /
- high-throughput sequencing /
- microbial community /
- denitrifying phosphorus removal

溴酚类化合物（bromophenols，BrPs）不仅具有人为来源，被用作阻燃剂、木材防腐剂等，也具有海洋藻类合成等天然来源，是重要的海洋风味物质^[1-2]. 根据苯环上溴原子的取代数目和位置不同，BrPs有19种化合物（图1），在大气、水、土壤、油松树皮及海洋生物等环境样本中均有检出^[3-6]，甚至在血液和脐带血等人体样本中也有检出^[7]，电子厂工人血清中检出的BrPs浓度为360 pg·g⁻¹ ww （湿重） ^[8]. 2,4,6-三溴酚（2,4,6-bromophenol，2,4,6-triBrP）和五溴酚（pentabromophenol，pBrP）不仅能破坏生物体内甲状腺激素的平衡，也具有显著的抗雌激素效应^[9-10]. 因此，BrPs逐渐引起学者们的广泛关注.

图 1 19种BrPs的化学结构式

Figure 1. Chemical structures of 19 BrPs

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海洋中的螺类、贝类和鱼类等动物经摄食藻类可以累积BrPs，经转化等途径也可以将一些人为污染物（如多溴代二苯并二噁英及多溴代二苯并呋喃等）转化为BrPs^[11]. 海产品在居民（特别是沿海居民）的膳食结构中占有重要地位，随着人们对健康生活的需求，海产品在膳食中所占的比重呈现显著增加趋势，因此关注海产品质量安全极为必要. 已有研究发现，中国香港市售不同种类海产品中BrPs的含量和分布存在差异^[12]，但我国其他城市市售海产品中BrPs的赋存情况，特别是海产品中常食用的部位（如贝肉、鱼肉）中BrPs的赋存尚不清晰. 因此，本研究选取9种居民喜食且消费量大的海产品，开展江苏省连云港市海产品中19种BrPs的组织分布及种间差异的研究，为BrPs的生态健康风险和食品安全提供数据支撑.

1. 材料与方法（Material and methods）

1.1 样品采集和制备

于2021年7月在江苏省连云港市某海鲜市场采集了人们广泛食用、销售量较大的一些海产品，包括双壳类软体动物（牡蛎、紫贻贝和扇贝）、螺类（脉红螺、扁玉螺和花螺）、和鱼类（海鲈鱼、小黄花鱼和金鲳鱼）共9种捕捞的野生海产品. 每种海产品均采集个体大小相近的新鲜样品，在冷藏条件下运回实验室. 贝类和螺类用去离子水清洗后分离去壳，用解剖刀和镊子将每个双壳贝类个体的鳃、外套膜和肉（包含闭壳肌）部分分离，用吸水纸吸干组织表面水分. 由于贝类除鳃和外套膜以外的其他组织以大量贝肉和少量内脏为主，无法将内脏清晰分离，且人们食用这几种贝类通常是净化处理后将贝肉（包括闭壳肌）和内脏团一起食用，因此将内脏合并到贝肉中进行分析和讨论. 螺类样品则分离为螺肉和内脏部分. 为保证足够的样品量并避免个体差异的影响，每种贝与螺的每种组织都由20—35只个体的样品混合而成. 鱼类样品则被分离为鳃、肉和内脏（所有内脏混合在一起）部分，每种组织的样品均由3—4条鱼体的组织混合制备. 每种生物组织的混合样品均进行了准确的质量称量，精确到0.01 g. 随后将所有样品冷冻干燥后用小型粉碎机将其研磨为粉末状固体，密封在棕色玻璃瓶中，置于-20 ℃冰箱中. 海产品个体的干重、湿重等信息详见表1.

表 1 9种海产品的样本数量、组织重量以及含水率.

Table 1. Numbers, weights, and the moisture content for the 9 tested seafood samples.

种类Species	拉丁名Latin name	数量Quantities	部位Tissues	湿重/gWet weight	干重/gDry weight	含水率/%Moisture content
牡蛎	Crassostrea gigas	n=20	鳃	17.0	3.09	81.8
			外套膜	20.6	4.49	78.2
			肉	91.0	21.0	76.9
扇贝	Patinopecten yessoensis	n=30	鳃	23.9	5.96	75.1
			外套膜	25.3	6.72	73.4
			肉	157	37.7	75.9
紫贻贝	Mytilus edulis	n=35	鳃	17.4	3.42	80.3
			外套膜	43.8	12.0	72.6
			肉	105	22.1	79.0
脉红螺	Rapana venosa	n=20	内脏	46.5	14.5	68.9
			肉	113	27.4	75.7
花螺	Babylonia areolata	n=35	内脏	55.7	18.2	67.2
			肉	113	27.4	75.7
扁玉螺	Glossaulax didyma	n=35	内脏	99.5	32.4	67.4
			肉	200	55.0	72.5
小黄花鱼	Larimichthys crocea	n=4	鳃	18.5	6.42	65.3
			内脏	67.1	29.2	56.6
			鱼肉	553	210	61.9
金鲳鱼	Trachinotus ovatus	n=3	鳃	17.8	6.08	65.8
			内脏	57.3	35.6	37.8
			鱼肉	487	210	57.0
海鲈鱼	Lateolabrax japonicus	n=3	鳃	38.4	13.1	66.0
			内脏	88.8	58.7	33.9
			鱼肉	621	180	70.9
注：湿重、干重、含水率均基于n个个体的混合样品计量. 　　Note：The wet weight, dry weight, and the moisture content were based on the mixed samples of individualities.

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1.2 试剂材料

19种BrPs标准物质，包括2-一溴酚（2-monobromophenol, 2-mBrP）、3-一溴酚（3-bromophenol, 3-mBrP）、4-一溴酚（4-bromophenol, 4-mBrP）、2,3-二溴酚（2,3-dibromophenol, 2,3-diBrP）、2,4-二溴酚（2,4-dibromophenol, 2,4-diBrP）、2,5-二溴酚（2,5-dibromophenol, 2,5-diBrP）、2,6-二溴酚（2,6-dibromophenol, 2,6-diBrP）、3,4-二溴酚（3,4-dibromophenol, 3,4-diBrP）、3,5-二溴酚（3,5-dibromophenol, 3,5-diBrP）、2,3,4-三溴酚（2,3,4-tribromophenol, 2,3,4-triBrP）、2,3,5-三溴酚（2,3,5-tribromophenol, 2,3,5- triBrP）、2,3,6-三溴酚（2,3,6-tribromophenol, 2,3,6-triBrP）、2,4,5-三溴酚（2,4,5-tribromophenol, 2,4,5-triBrP）、2,4,6-triBrP、3,4,5-三溴酚（3,4,5-tribromophenol, 3,4,5-triBrP）、2,3,4,5-四溴酚（2,3,4,5-tetrabromophenol, 2,3,4,5-tetraBrP）、2,3,4,6-四溴酚（2,3,4,6-tetrabromophenol, 2,3,4,6-tetraBrP）、2,4,5,6-四溴酚（2,4,5,6-tetrabromophenol, 2,4,5,6-tetraBrP）、pBrP，均购自加拿大Wellington Laboratories. 同位素内标物质¹³C₆-4-mBrP、¹³C₆-2,4-diBrP、¹³C₆-2,4,6-triBrP、¹³C₆-2,3,4,6-tetraBrP 和¹³C₆-pBrP购自美国Cambridge Isotope Laboratories. 以上标准物质纯度均大于95％. 所有标准溶液均保存于棕色毛细管瓶，并放于4℃冰箱中保存. 色谱级甲醇、乙腈、二氯甲烷等有机溶剂均购自J.T. Baker公司. Poly-Sery WAX（500 mg/6 mL, CNW Technologies GmbH）和醋酸铵购自中国上海安谱实验科技股份有限公司，盐酸购自国药集团化学试剂有限公司.

1.3 样品前处理

前处理方法参照已有文献[13]，并依据样品性质进行了微调. 准确称量2.00 g样品置于50 mL离心管中，加入20 mL乙腈:二氯甲烷溶液（1:1, 体积比）和20 μL同位素混合内标（¹³C₆-4-mBrP、¹³C₆-2,4-diBrP、¹³C₆-2,4,6-triBrP，浓度分别为（500 ng·mL⁻¹）. 分别经超声（53 kHz，20 min）和振荡（275 次·min⁻¹，20 min）顺序萃取，以3500 r·min⁻¹速度离心10 min取其上清液. 重复萃取3次，合并的萃取液氮吹至近干，用甲醇复溶后过0.22 μm聚四氟乙烯（PTFE）滤膜，随后用盐酸调节样品pH值至2.0±0.01. 随后用Poly-Sery WAX固相萃取柱（500 mg/6 mL）进行浓缩和净化，萃取柱先用6 mL甲醇和6 mL超纯水预处理，上样后用3 mL超纯水洗去杂质. 再用15 mL甲醇进行洗脱，收集洗脱液置于棕色小瓶中，经氮吹定容至500 μL.

1.4 色谱与质谱条件

本研究采用高效液相色谱-三重四极杆串联质谱仪（HPLC-MS/MS）（Ultimate 3000, Thermo Fisher Science, U.S.；Triple-Quad 5500, AB SCIEX, U.S.）检测19种BrPs.

液相色谱条件：色谱分离柱为 Inertsil ODS-4（150 mm×3.0 mm×2 μm, GL Science, Japan），进样量为 5 μL，柱温控制在40 ℃，流动相为含1 mmol·L⁻¹ 醋酸铵的水（A）和含0.1%乙酸的乙腈（B）的混合溶剂，流速为0.3 mL·min⁻¹. 流动相梯度为：0 min，45%B/55%A；15 min，70%B/30%A；20—23 min，80%B/20%A；27 min，60%B/40%A；27.5—30 min，45%B/55%A. 质谱条件：在负离子多反应监测模式下对BrPs进行检测，离子源为电喷雾离子源，温度为500℃，离子化电压为-4500 V，气帘气和喷雾气的流速分别设定为38 psi和50 psi. 不同种BrPs检测的母离子、定量离子、碰撞能和去簇电压见表2.

表 2 不同BrPs的母离子、定量离子、碰撞能和去簇电压

Table 2. The precursor and quantitative ion, collision energy, and declustering potential for different BrP congeners.

化合物Compounds	母离子（m/z）Precursor ion	定量离子（m/z）Quantitative ion	碰撞能/eVCollision energy	去簇电压/eVDeclustering potential
mBrPs	170.8	78.8	−22	−85
	172.8	80.8	−22	−85
diBrPs	250.8	78.8	−30	−110
		80.8	−30	−110
triBrPs	328.8	78.8	−70	−120
		80.8	−70	−120
tetraBrPs	408.6	78.8	−85	−130
		80.8	−85	−130
pBrP	488.6	78.8	−82	−130
		80.8	−82	−130
¹³C₆−4-mBrP	176.8	78.8	−22	−85
	178.8	80.8	−22	−85
¹³C₆−2,4-diBrP	256.8	78.8	−30	−110
		80.8	−30	−110
¹³C₆−2,4,6-triBrP	334.9	78.8	−70	−120
		80.8	−70	−120
¹³C₆−2,3,4,6-tetraBrP	414.6	78.8	−85	−130
		80.8	−85	−130
¹³C₆−PBrP	494.6	78.8	−82	−130
		80.8	−82	−130

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1.5 海产品个体中BrPs平均含量的计算方法

基于海产品不同组织混合样品的质量与对应组织中BrPs浓度，计算得到每个海产品中不同种类BrPs及∑₄BrPs的个体平均含量，公式如下：

$\mathrm{海}\mathrm{产}\mathrm{品}\mathrm{个}\mathrm{体}\mathrm{平}\mathrm{均}\mathrm{含}\mathrm{量}=\frac{{m}_{1}\times {C}_{1}+{m}_{2}\times {C}_{2}+{m}_{3}\times {C}_{3}+\dots }{{m}_{1}+{m}_{2}+{m}_{3}\dots }$

其中，m₁、m₂、m₃、…分别代表不同组织混合样品的质量（g），C₁、C₂、C₃、…分别代表对应的不同组织混合样品中BrPs含量（ng·g⁻¹ dw）.

1.6 质量控制和质量保证

每10个样品分析一组9点标准曲线（0.1、 0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng·mL⁻¹，R²>0.995）. 用2.00 g色谱纯硅藻土作为空白样品进行相同的全流程提取分析，在程序空白和仪器空白实验中均未检出BrPs. 每个样品均加入10.0 ng 同位素内标物质（20 μL, 500 ng·mL⁻¹），以校正和消除样品前处理及仪器波动的影响. 除2,3,4,5-tetraBrPs回收率为58.8%外，海产品中其他18种BrPs回收率范围为77.1%—105%. BrPs的浓度值以干重计量，方法检出限（3倍噪声）范围为0.0248—32.1 ng·g⁻¹ dw. 为了便于与文献数据进行对比，文献中BrPs含量如果以湿重或脂重计，则通过文献中给出的含水率（若文献中无含水率数据则按照贝、螺、鱼的含水率（80%）计算）或脂肪含量推算为以干重计的BrPs含量.

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 不同海产品中的BrPs

在采集的螺、贝和海鱼样品中，共检出了4种BrPs，分别为4-mBrP、2,4-diBrP、2,6-diBrP和2,4,6-triBrP，在所有海产品各部位样品中的检出率分别为87.5%、54.2%、50.0%和100%，其他15种BrPs在海产品中均未检出. 有研究表明^{[12, 14]}，4-mBrP、2,6-diBrP、2,4-diBrP和2,4,6-triBrP是藻类、鱼类、软体动物、甲壳类动物等海洋生物中广泛检出的BrPs，其中以2,4,6-triBrP占比最高，与本研究结果一致. 在多个海产品相关的研究中还检出了2-mBrP、2,3,4-triBrP、2,3,5-triBrP、2,3,6-triBrP、2,4,5-triBrP、2,4,6-triBrP、3,4,5-triBrP、2,3,4,5-tetraBrP、2,3,4,6-tetraBrP、2,3,5,6-tetraBrP、pBrP等其他多种BrPs^[15-17]，但这些BrPs在本研究中均未检出，这可能与不同种BrPs的来源、环境暴露浓度、累积特性以及海产品种类有关.

经海产品个体中BrPs含量推算，牡蛎、扇贝、紫贻贝、脉红螺、花螺、扁玉螺、小黄花鱼、海鲈鱼、金鲳鱼中∑₄BrPs个体平均含量分别为33.0、15.2、2.25、23.2、18.7、3.11、7.85、9.52、13.0 ng·g⁻¹ dw（图2）. 比较不同海产品的含量发现，3种贝类中∑₄BrPs、2,4-diBrP、2,4,6-triBrP个体平均含量（（16.8±12.6）、（0.304±0.272）、（14.4±10.7） ng·g⁻¹ dw）高于3种螺类（（15.0±8.60）、（0.284±0.112）、（10.0±8.43） ng·g⁻¹ dw）和鱼类（（10.1±2.17）、（0.0136±0.0193）、（7.10±0.654） ng·g⁻¹ dw），4-mBrP和2,6-diBrP则在螺类（（0.863±0.785） ng·g⁻¹ dw和（3.82±4.76） ng·g⁻¹ dw）中高于贝类和鱼类. BrPs在物种间的差异，与生物的习性和生活环境有关，在韩国东南沿海、中国北江等区域的研究显示，BrPs在海洋沉积物中的浓度高于海水^{[5, 18]}，因此，贝类样品，特别是牡蛎和扇贝中某些BrPs单体的含量远高于螺类和鱼类，可能与其长期在沉积物中的底栖生活习性相关.

图 2 9种海产品中BrPs及∑₄BrPs的个体平均含量（ng·g⁻¹ dw）

Figure 2. The individual mean levels of BrPs and ∑₄BrPs in 9 seafood （ng·g⁻¹ dw）

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在3种贝类中，牡蛎的∑₄BrPs、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP个体平均含量最高（33.0、4.70、28.0 ng·g⁻¹ dw），接下来是扇贝（15.2、0.774、13.4 ng·g⁻¹ dw），二者均远高于紫贻贝（2.24、<MDL、1.88 ng·g⁻¹ dw）. 扇贝的4-mBrP和2,4-diBrP含量（0.343、0.677 ng·g⁻¹ dw）高于牡蛎（0.221、0.0352 ng·g⁻¹ dw）和紫贻贝（0.161、0.200 ng·g⁻¹ dw）. 本研究牡蛎中的溴酚单体4-mBrP、2,4,6-triBrP的个体平均含量高于中国香港地区牡蛎中对应BrPs的含量（<MDL、平均值（8.98±6.82） ng·g⁻¹ dw，范围1.37–18.1 ng·g⁻¹ dw）^[12]和美国俄勒冈州州立大学海洋研究站获取的两种牡蛎样品中对应BrPs含量（<MDL、10.0、6.00 ng·g⁻¹ dw）^[19]；2,6-diBrP处在中等水平，高于中国香港地区牡蛎（平均值（0.858±0.616） ng·g⁻¹ dw，范围0.345—2.18 ng·g⁻¹ dw）^[12]低于美国俄勒冈州州立大学海洋研究站的两种牡蛎（含量5.00 ng·g⁻¹ dw和6.00 ng·g⁻¹ dw）^[19]；但溴酚单体2,4-diBrP的含量远低于中国香港牡蛎（平均值（30.6±18.5） ng·g⁻¹ dw，范围9.8—52.9 ng·g⁻¹ dw）^[12]和在美国俄勒冈州的牡蛎（6.00 ng·g⁻¹ dw和6.00 ng·g⁻¹ dw）^[19]. 本研究3种贝类中2,4,6-triBrP的个体含量的平均值（（14.4±10.7） ng·g⁻¹ dw）远高于在欧洲意大利、丹麦、法国、爱尔兰、西班牙等国家市场上采集的软体动物/甲壳类动物中2,4,6-triBrP的含量（范围0.316—3.73 ng·g⁻¹ dw，数据经文献中脂肪含量换算）^[20].

在3种螺类中，∑₄BrPs和2,4,6-triBrP的含量按照脉红螺（23.2 ng·g⁻¹ dw和21.8 ng·g⁻¹ dw）、花螺（18.7 ng·g⁻¹ dw和5.85 ng·g⁻¹ dw）、扁玉螺（3.11 ng·g⁻¹ dw和2.41 ng·g⁻¹ dw）依次递减. 花螺中4-mBrP和2,6-diBrP含量（1.97 ng·g⁻¹ dw和10.5 ng·g⁻¹ dw）高于脉红螺（0.337 ng·g⁻¹ dw和0.935 ng·g⁻¹ dw）、扁玉螺（0.278 ng·g⁻¹ dw和<MDL）. 与另外3种BrPs不同，2,4-diBrP在扁玉螺中最高为0.419 ng·g⁻¹ dw，接下来依次为花螺（0.288 ng·g⁻¹ dw）和脉红螺（0.144 ng·g⁻¹ dw）.

对于3种鱼类，在金鲳鱼中∑₄BrPs、2,6-diBrP含量（13.0、6.70 ng·g⁻¹ dw）最高，接下来依次为海鲈鱼（9.52、1.51 ng·g⁻¹ dw）和小黄花鱼（7.85、0.713 ng·g⁻¹ dw）. 海鲈鱼中2,4,6-triBrP和4-mBrP含量（7.91 ng·g⁻¹ dw和0.0854 ng·g⁻¹ dw）高于小黄花鱼（7.07 ng·g⁻¹ dw和0.0244 ng·g⁻¹ dw）和金鲳鱼（6.31 ng·g⁻¹ dw和0.0332 ng·g⁻¹ dw）. 金鲳鱼和小黄花鱼均为咸水鱼，只能在海洋中生活，而海鲈鱼在海水与淡水中均能生活，因此海鲈鱼还有可能受到淡水生活环境的影响，而2,4,6-triBrP作为人为生产的溴代阻燃剂，往往对流经城市和人类生活区的淡水水体影响更大，这也可能是海鲈鱼体内2,4,6-triBrP含量高的原因.

2.2 三种贝类中BrPs的组织分布

对于紫贻贝，除2,6-diBrP未检出外，检出的BrPs（4-mBrP、2,4-diBrP、2,4,6-triBrP）及∑₄BrPs（0.197、0.262、4.00、4.46 ng·g⁻¹ dw）均主要累积在鳃内（图3），高于贝肉（0.187、0.188、1.81、2.19 ng·g⁻¹ dw）和外套膜（0.102、0.204、1.42、1.73 ng·g⁻¹ dw）中对应BrPs的含量. 扇贝鳃中4-mBrP（0.663 ng·g⁻¹ dw）和2,4-diBrP（1.20 ng·g⁻¹ dw）也高于外套膜（0.326 ng·g⁻¹ dw和0.681 ng·g⁻¹ dw）和贝肉（0.295 ng·g⁻¹ dw和0.594 ng·g⁻¹ dw）. 这说明鳃也是贝类BrPs暴露及分布的重要组织. 牡蛎和扇贝的贝肉中2,4,6-triBrP（31.0 ng·g⁻¹ dw和15.9 ng·g⁻¹ dw）、∑₄BrPs的含量（36.3 ng·g⁻¹ dw 和16.8 ng·g⁻¹ dw）高于鳃和外套膜. 另外，牡蛎与扇贝中2,6-diBrP在外套膜中（6.04 ng·g⁻¹ dw与4.00 ng·g⁻¹ dw）高于鳃和贝肉中含量. 对3种贝类中BrPs的组织分布进行比较，发现紫贻贝各组织中的∑₄BrPs均远低于牡蛎和扇贝，BrPs在3种贝类中的组织分布差异与3种贝类不同的生活方式和生长特性有关，牡蛎、扇贝多生活在潮间带、潮下带、低潮带底泥中，而紫贻贝多生活于浅海区附着在岩礁上，从BrPs浓度相对较低的海水中滤食，使其体内BrPs含量相较牡蛎和扇贝要低. 而紫贻贝的外套膜占个体干重的32.0%，远高于牡蛎（15.7%）和扇贝（13.3%）. 紫贻贝、牡蛎、扇贝外套膜中∑₄BrPs含量分别占对应贝类个体BrPs含量的24.6%、10.9%、8.79%. 由此可见，不同种贝类间相同生物组织在其体重中的占比也影响了BrPs的浓度分布. 整体上，贝类肉中∑₄BrPs（（18.4±14.0） ng·g⁻¹ dw）高于鳃中（（13.5±8.68） ng·g⁻¹ dw）和外套膜（（11.5±8.71） ng·g⁻¹ dw）.

图 3 牡蛎、扇贝、紫贻贝不同组织中BrPs的含量及分布（ng·g⁻¹ dw）

Figure 3. Levels and tissue distributions of BrPs in Crassostrea gigas, Patinopecten yessoensis, and Mytilus edulis （ng·g⁻¹ dw）

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2.3 三种螺类中BrPs的组织分布

3种螺中各种BrPs及∑₄BrPs在内脏中的含量均远高于螺肉中的含量（图4）. 3种螺内脏中∑₄BrPs平均含量（（21.7±12.6） ng·g⁻¹ dw）远高于螺肉（（3.37±2.41） ng·g⁻¹ dw）. 对于螺肉样品，花螺螺肉中∑₄BrPs最高（6.59 ng·g⁻¹ dw）（图4），分别是脉红螺（2.71 ng·g⁻¹ dw）和扁玉螺（0.806 ng·g⁻¹ dw）的2.43倍和8.18倍. 花螺的螺肉和内脏中4-mBrP、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP的含量均高于脉红螺、扁玉螺的对应部位. 2,4-diBrP的最高浓度出现在扁玉螺的螺肉和内脏团中（图4）. 3种螺螺肉中∑₄BrPs的平均含量（（3.37±2.41） ng·g⁻¹ dw，范围0.806—6.59 ng·g⁻¹ dw）远低于3种贝肉的平均含量（（18.4±14.0） ng·g⁻¹ dw，范围2.19—36.3 ng·g⁻¹ dw），但花螺和脉红螺螺肉中∑₄BrPs的含量则高于紫贻贝贝肉.

图 4 脉红螺、花螺、扁玉螺（a）和小黄花鱼、海鲈鱼、金鲳鱼（b）不同组织中BrPs的含量及分布特征

Figure 4. Levels and tissue distributions of BrPs a． Rapana venosa, Babylonia areolate, and Glossaulax didyma ；b. Larimichthys crocea, Trachinotus ovatus, and Lateolabrax japonicus

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2.4 三种鱼体中BrPs的组织分布

如图4所示，小黄花鱼、海鲈鱼和金鲳鱼肉中的∑₄BrPs含量（2.21、5.29、2.87 ng·g⁻¹ dw）均远低于内脏（37.8、31.3、41.5 ng·g⁻¹ dw）和鳃中的含量（56.1、28.0、25.4 ng·g⁻¹ dw）. 检出率最高的2,4,6-triBrP在鱼体中的最高浓度均出现在3种鱼的鱼鳃（56.0、28.0、25.3 ng·g⁻¹ dw）中. 这说明鳃也是鱼类2,4,6-triBrP暴露与分布的重要组织. 4-mBrP和2,6-diBrP在内脏团中的含量均高于鱼肉和鱼鳃中（图4）. 其中金鲳鱼内脏中的2,6-diBrP（26.4 ng·g⁻¹ dw）占∑₄BrPs（41.5 ng·g⁻¹ dw）的63.6%，超过了检出率最高的2,4,6-triBrP（15.0 ng·g⁻¹ dw，占比36.1%），这一比例也远高于小黄花鱼和海鲈鱼中2,6-diBrP所占比例（15.9%和31.9%）以及文献中报道的鱼类肠胃中2,6-diBrP所占的比例（0—16.9%）^{[1, 12]}. 2,4-diBrP除在小黄花鱼的内脏团中检出（0.344 ng·g⁻¹ dw）外，在小黄花鱼其他组织、海鲈鱼和金鲳鱼的所有组织中均未发现. 3种鱼中检测到的BrPs的∑₄BrPs平均含量在内脏中含量最高为（36.9±4.22） ng·g⁻¹ dw，高于鳃（（36.5±13.9） ng·g⁻¹ dw）和鱼肉（（3.46±1.32） ng·g⁻¹ dw），与其他研究中发现的内脏含量高于肉中含量的现象是一致的.

本研究的海鲈鱼鱼肉中以2,4,6-triBrP为主要BrPs单体，与文献中同种鱼的检测结果一致，但2,4,6-triBrP的含量（5.20 ng·g⁻¹ dw）高于澳大利亚市场上采集的野生与养殖尖吻鲈鱼鱼肉中的含量（平均值（0.0857±0.0481） ng·g⁻¹ dw，范围<MDL—0.800 ng·g⁻¹ dw，经含水率80%计算）^[21]，低于在瑞典斯德哥尔摩群岛的Nämdö岛周围采集的鲈鱼鱼肉的含量（平均值（6.59±3.15） ng·g⁻¹ dw，范围：（1.45—10.0） ng·g⁻¹ dw，经含水率80%换算）^[22]；4-mBrP含量（（0.0900） ng·g⁻¹ dw）低于澳大利亚尖吻养殖鲈鱼鱼肉中的含量（（0.250） ng·g⁻¹ dw，以鱼肉含水率80%计干重）^[21]. 本研究海鲈鱼鱼肉中2,4-diBrP和2,6-diBrP均未检出，但在澳大利亚尖吻野生鲈鱼中均有检出.

与其他种类的鱼相比，本研究3种鱼鱼肉中2,4,6-triBrP含量平均值（（3.17±1.44） ng·g⁻¹ dw）低于在中国香港市场上采集的不同季节的河豚与褐斑石斑鱼的鱼肉（平均值（15.6±9.91） ng·g⁻¹ dw，范围（2.43–39.2） ng·g⁻¹ dw）^[12]和从美国阿拉斯加、密歇根湖、威斯康星州等地采集的鲑鱼、鲱鱼等鱼肉中2,4,6-triBrP的含量（（18.5—166） ng·g⁻¹ dw）^[19]. 本研究3种鱼内脏中2,4,6-triBrP含量平均值（（22.5±6.72） ng·g⁻¹ dw）也均低于在中国香港的河豚与褐斑石斑鱼（平均值（49.1±50.2） ng·g⁻¹ dw，范围（2.18—155） ng·g⁻¹ dw）^[12]和澳大利亚新南威尔士州采集的多种底栖食肉性与杂食性鱼类（平均值（203±264） ng·g⁻¹ dw，范围<MDL—850 ng·g⁻¹ dw，按照含水率80%计算）^[23] 内脏中2,4,6-triBrP的含量. 本研究3种鱼类的鱼肉及内脏中BrPs含量低于其他研究1—2个数量级，整体上处在较低水平.

3. 结论（Conclusion）

在贝类、螺类和鱼类的鳃、外套膜、内脏、肉等不同组织中共检出4种BrPs，4-mBrP、2,4-diBrP、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP，其中2,4,6-triBrP含量水平和检出率均相对较高，在9种海产品所有组织中的浓度范围为0.512—56.0（平均值：（14.1±13.8） ng·g⁻¹ dw），∑₄BrPs的范围为0.806—56.1（平均值：（18.2±15.5） ng·g⁻¹ dw）. 3种贝类中∑₄BrPs个体平均含量高于3种螺类和鱼类. 3种贝类鳃中∑₄BrPs高于外套膜和贝肉. 3种螺的内脏和鳃中∑₄BrPs含量平均值远高于螺肉中的含量. 3种鱼内脏中的∑₄BrPs含量平均值远高于鳃和鱼肉. 研究证实了BrPs在不同海产品内脏中的高累积，另外鳃也是海产品BrPs暴露及分布的重要组织.

图 1 蠕虫床结构示意图

Figure 1. Schematic diagram of the worm reactor

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图 2 系统流程图

Figure 2. Diagram of system connection

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图 3 样品稀释曲线

Figure 3. Rarefaction curves of the samples

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图 4 样品OTU分布维恩图

Figure 4. Venn diagram of OTU distribution

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图 5 3组系统脱氮功能菌的分布

Figure 5. Distribution of denitrifying functional bacteria in the three systems

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图 6 3组系统好氧除磷菌的分布

Figure 6. Distribution of PAOs in the three systems

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图 7 3组系统反硝化除磷菌的分布

Figure 7. Distribution of DNPAOs in the three systems

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表 1 进水及3组系统出水水质

Table 1. Water quality of the influent and effluent of the three systems mg·L⁻¹

水质 COD 氨氮总氮总磷

进水 350~500 40~50 50~70 4.0~6.0
Ⅰ号出水 20~40 0.5~2.5 12~20 0.5~3.0
Ⅱ号出水 20~40 0.3~2.0 10~15 0.3~2.0
Ⅲ号出水 15~35 0.5~2.0 10~15 0.2~0.6

水质 COD 氨氮总氮总磷

进水 350~500 40~50 50~70 4.0~6.0
Ⅰ号出水 20~40 0.5~2.5 12~20 0.5~3.0
Ⅱ号出水 20~40 0.3~2.0 10~15 0.3~2.0
Ⅲ号出水 15~35 0.5~2.0 10~15 0.2~0.6

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表 2 3组反应器16S rRNA基因指数

Table 2. Index table of the 16S rRNA gene of three reactors

样品序列数量/条 OUT/个长度/bp 有效比率/%

Ⅰ号 70 292 1 443 372 85.97
Ⅱ号 64 287 1 364 372 87.45
Ⅲ号 45 632 1 368 372 75.64

样品序列数量/条 OUT/个长度/bp 有效比率/%

Ⅰ号 70 292 1 443 372 85.97
Ⅱ号 64 287 1 364 372 87.45
Ⅲ号 45 632 1 368 372 75.64

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图( 7) 表( 2)

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1. 材料与方法（Material and methods）
1.1 样品采集和制备
1.2 试剂材料
1.3 样品前处理
1.4 色谱与质谱条件
1.5 海产品个体中BrPs平均含量的计算方法
1.6 质量控制和质量保证
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 不同海产品中的BrPs
2.2 三种贝类中BrPs的组织分布
2.3 三种螺类中BrPs的组织分布
2.4 三种鱼体中BrPs的组织分布
3. 结论（Conclusion）

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污泥是污水生物处理过程中不可避免的危害副产物，含有难降解有机物、病原菌、重金属等污染物^[1-2]。目前，我国污泥年产量已超过4.5×10⁷ t(含水率80%)，成为全球污泥产量最大的国家，然而50%的污泥并没有得到妥善处理，严重威胁我国生态环境安全，开展污泥减量化研究是我国重大战略需求之一。

蠕虫污泥捕食技术与污水处理系统耦合实现污泥减量已取得了广泛的研究^[3-4]。蠕虫捕食污泥减量技术通过在污水处理过程中加入蠕虫等微型动物，定向延长污水处理系统的食物链，利用食物链中能量传递的“十分之一定律”，实现污泥减量。相对于污泥的隐性生长、解偶联等污泥减量技术，生物捕食具有无须投加化学物质、处理成本低、副产物少、污泥减量效率高等技术优势^[5]，在学术研究与工程应用中均取得了广泛的关注^[6-7]。然而，蠕虫捕食对污水处理系统微生物菌群特性的影响研究相对缺乏。污水生物处理过程主要利用不同功能微生物相互间的协同降解作用，实现污水的高效处理，因此，微生物的群落结构直接影响着污水的处理效能^[8]。污水处理过程中不同的工艺操作与水质条件的波动均可引起微生物菌群的改变，无法适应环境改变的微生物丰度降低，而其他微生物则可能得到富集^[9]。因此，不同的环境条件可促进微生物群落的筛选过程^[10]。

本研究基于厌氧-缺氧-好氧-膜生物反应器(A²O-MBR)-蠕虫床耦合系统，利用Illumina高通量16S rRNA测序技术，从微生物种类、丰度特征、功能菌群分布相似性及差异性等方面，对比分析蠕虫捕食的耦合对污水处理系统微生物菌群特性的影响，为蠕虫污泥减量技术的应用提供参考。

3. 结论

1)蠕虫床的耦合能对A²O-MBR系统的菌种结构产生积极影响，微生物菌群丰富度提高但多样性降低，优势菌得到富集，劣势菌丰度不断降低。

2)A²O-MBR-蠕虫床耦合系统中好氧反硝化菌得到强化，丰富了脱氮途径，耦合系统中反硝化菌丰度增加，提高脱氮能力。

3)A²O-MBR-蠕虫床耦合系统中好氧除磷菌和反硝化除磷菌均得到了富集，且反硝化除磷菌的丰度达到了12.71%，有效提高了系统除磷效能。

参考文献 (31)

水质	COD	氨氮	总氮	总磷
进水	350~500	40~50	50~70	4.0~6.0
Ⅰ号出水	20~40	0.5~2.5	12~20	0.5~3.0
Ⅱ号出水	20~40	0.3~2.0	10~15	0.3~2.0
Ⅲ号出水	15~35	0.5~2.0	10~15	0.2~0.6

样品	序列数量/条	OUT/个	长度/bp	有效比率/%
Ⅰ号	70 292	1 443	372	85.97
Ⅱ号	64 287	1 364	372	87.45
Ⅲ号	45 632	1 368	372	75.64

蠕虫床污泥减量对A2O-MBR系统中细菌特性的影响

作者简介: 黄丹平(1993—)，女，硕士，工程师。研究方向：污泥减量。E-mail：huangdanping1993@163.com

通讯作者: 李俐频(1989—)，女，博士，助理研究员。研究方向：污水处理。E-mail：lipinlee@hit.edu.cn;

Effects of worm predation and sludge reduction on bacterial characteristics of an anaerobic-anoxic-oxic-membrane bioreactor (A2O-MBR)

Corresponding author: LI Lipin, lipinlee@hit.edu.cn ;

1. 材料与方法 （Material and methods）

1.1 样品采集和制备

1.2 试剂材料

1.3 样品前处理

1.4 色谱与质谱条件

1.5 海产品个体中BrPs平均含量的计算方法

1.6 质量控制和质量保证

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 不同海产品中的BrPs

2.2 三种贝类中BrPs的组织分布

2.3 三种螺类中BrPs的组织分布

2.4 三种鱼体中BrPs的组织分布

3. 结论（Conclusion）

期刊类型引用(4)

其他类型引用(2)

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出版历程

蠕虫床污泥减量对A2O-MBR系统中细菌特性的影响

通讯作者: 李俐频(1989—)，女，博士，助理研究员。研究方向：污水处理。E-mail：lipinlee@hit.edu.cn;

作者简介: 黄丹平(1993—)，女，硕士，工程师。研究方向：污泥减量。E-mail：huangdanping1993@163.com 1. 哈尔滨工业大学环境学院，哈尔滨 150090 2. 河北大学化学与环境科学学院，保定 071002

English Abstract

Effects of worm predation and sludge reduction on bacterial characteristics of an anaerobic-anoxic-oxic-membrane bioreactor (A2O-MBR)

Corresponding author: LI Lipin, lipinlee@hit.edu.cn ;

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1.1. 实验装置

1.2. 水质处理效果

1.3. 分析测试方法

2.1. 微生物种群丰度及多样性分析

2.2. 微生物差异性分析

2.3. 脱氮功能菌分析

2.4. 除磷功能菌分析

目录

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1.1. 实验装置

1.2. 水质处理效果

1.3. 分析测试方法

2.1. 微生物种群丰度及多样性分析

2.2. 微生物差异性分析

2.3. 脱氮功能菌分析

2.4. 除磷功能菌分析

蠕虫床污泥减量对A²O-MBR系统中细菌特性的影响

Effects of worm predation and sludge reduction on bacterial characteristics of an anaerobic-anoxic-oxic-membrane bioreactor (A²O-MBR)

1. 材料与方法（Material and methods）

蠕虫床污泥减量对A²O-MBR系统中细菌特性的影响

作者简介: 黄丹平(1993—)，女，硕士，工程师。研究方向：污泥减量。E-mail：huangdanping1993@163.com
1. 哈尔滨工业大学环境学院，哈尔滨 150090

2. 河北大学化学与环境科学学院，保定 071002

Effects of worm predation and sludge reduction on bacterial characteristics of an anaerobic-anoxic-oxic-membrane bioreactor (A²O-MBR)