厭氧生物處理技術(shù)因具有高有機(jī)負(fù)荷、低能耗及產(chǎn)能等優(yōu)點(diǎn)而被逐漸廣泛地應(yīng)用到各類高濃度有機(jī)廢水的治理中.然而，廢水的來(lái)源各異，且含有多種對(duì)厭氧微生物有害的成分，其中，亞硝氮、硝氮、氨氮是厭氧處理過(guò)程中可能遇到的難題之一.亞硝氮、硝氮和氨氮進(jìn)入?yún)捬醵慰赡艽嬖诤芏嗲闆r，如基于短程反硝化的厭氧產(chǎn)甲烷同時(shí)反硝化的提出和污水處理系統(tǒng)中好氧池污水回流脫氮等情況均會(huì)帶來(lái)亞硝酸鹽;果膠加工、炸藥與金屬制造及肥料應(yīng)用的廢水處理，以及厭氧產(chǎn)甲烷同時(shí)反硝化工藝的提出等都有可能帶來(lái)一定濃度的硝酸鹽;一些畜禽廢物或食品加工廢水的處理，以及含有較多如尿素和蛋白質(zhì)等氨氮成分的廢水處理等均會(huì)導(dǎo)致氨氮含量過(guò)高.
目前，針對(duì)這3種含氮無(wú)機(jī)化合物(亞硝氮、硝氮和氨氮)對(duì)厭氧微生物活性影響的研究多集中于對(duì)產(chǎn)甲烷活性和產(chǎn)甲烷菌的影響分析，而對(duì)厭氧細(xì)菌群落的急性影響研究還相對(duì)較少，僅有的研究也多偏向于氨氮部分，且缺乏這3種含氮無(wú)機(jī)化合物對(duì)厭氧細(xì)菌群落抑制作用的對(duì)比研究.復(fù)雜有機(jī)物的厭氧消化過(guò)程由一系列不同的微生物共同進(jìn)行，主要包括發(fā)酵細(xì)菌，同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌及產(chǎn)甲烷菌.在厭氧群落中各類微生物之間協(xié)調(diào)互動(dòng)，任何一類微生物受到抑制都將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響.據(jù)對(duì)厭氧塘細(xì)菌和古生菌群落的定量PCR分析顯示，厭氧 微生物中細(xì)菌的數(shù)量超過(guò)古生菌數(shù)量3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，厭氧細(xì)菌群落在厭氧微生物群落結(jié)構(gòu)中占很大比重，因此，研究這3種含氮無(wú)機(jī)化合物對(duì)厭氧細(xì)菌群落的影響具有重要意義.
磷脂脂肪酸(PLFA)法可以通過(guò)磷脂脂肪酸圖譜對(duì)微生物群落進(jìn)行快速有效的定量分析，且具備樣品易保存、脂肪酸成分不易受影響、實(shí)驗(yàn)條件要求低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn).PLFA為甲基化活性污泥中提取磷脂后得到的脂肪酸產(chǎn)物，具有屬的特異性，某一類PLFA總會(huì)出現(xiàn)在同一類群微生物中，且僅存在于活體細(xì)胞中.脂肪酸通常的命名格式為X：Y wZ(c/t)，其中，X為總碳數(shù)，Y表示雙鍵數(shù)，w表示甲基末端，Z是距離甲基的距離，c表示順式，t表示反式，其他字符如a和i分別表示支鏈的反異構(gòu)和異構(gòu)，10Me表示一個(gè)甲基團(tuán)在距分子末端第10個(gè)碳原子上，環(huán)丙烷脂肪酸用cy表示.微生物細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)可以通過(guò)微生物各類群的特征脂肪酸的相對(duì)含量表示，磷脂脂肪酸生物標(biāo)記可反映厭氧細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌、放線菌和真菌等的相對(duì)含量.據(jù)相關(guān)報(bào)道可知，厭氧微生物群落中厭氧細(xì)菌優(yōu)勢(shì)種群多為革蘭氏陽(yáng)性、革蘭氏陰性.多種支鏈脂肪酸可以表征革蘭氏陽(yáng)性菌，單不飽和脂肪酸和環(huán)丙烷脂肪酸可以用來(lái)指示革蘭氏陰性菌，一些特定的磷脂脂肪酸(如18:1 w7c、15:0 a、15:0 i、16:0 i、17:0 i、19:0 cy等)則可用于表征厭氧細(xì)菌.因此，本文利用微生物磷脂脂肪酸(PLFA)的變化表征細(xì)菌微生物群落結(jié)構(gòu)，以期為抑制物質(zhì)對(duì)厭氧微生物活性及細(xì)菌群落的急性影響作進(jìn)一步的解釋，并為含這3種無(wú)機(jī)氮化合物的工業(yè)廢水的厭氧處理提供理論依據(jù).
2 材料與方法
2.1 厭氧顆粒污泥
厭氧顆粒污泥取自某制藥集團(tuán)的工業(yè)UASB反應(yīng)器.污泥呈黑色，粒徑為1.0~2.5 mm，濕污泥VSS/SS值為0.83.污泥經(jīng)淘洗后，加入葡萄糖人工配水在中溫(35 ℃)下進(jìn)行間歇培養(yǎng)，經(jīng)1個(gè)月馴化穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).
2.2 人工配水和無(wú)機(jī)氮化合物貯備液
人工配水(mg · L-1)：葡萄糖2500，NH4Cl 280，NaHCO3 5000，K2HPO4 250，CaCl2 · 2H2O 10，MgCl2 · 6H2O 100，MgSO4 · 7H2O 100，酵母膏100，微量元素濃縮液(1 mL.
NaNO2(40 g · L-1，以N計(jì))、NaNO3(40 g · L-1，以N計(jì))和NH4Cl(50 g · L-1，以N計(jì))貯備液由NaNO2(分析純)、NaNO3(分析純)和NH4Cl(分析純)分別溶解于去離子水配制.
2.3 實(shí)驗(yàn)方法
在100 mL血清瓶中加入60 mL配水，pH穩(wěn)定在7.3±0.3，分別向3組血清瓶中加入一定量的NaNO2、NaNO3和NH4Cl貯備液，具體抑制物質(zhì)及濃度情況見表 1.加入40 mL厭氧顆粒污泥，使用高純氮?dú)獯得摷s5 min去除血清瓶中的溶解氧，密封后置于35 ℃恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行培養(yǎng)，每個(gè)濃度梯度設(shè)3個(gè)平行.
表1 抑制物質(zhì)及濃度情況
根據(jù)空白組COD去除率達(dá)到90%的時(shí)間(5 d)以確定取樣時(shí)間.取出不同組的上清液樣品對(duì)其COD進(jìn)行測(cè)定，取出顆粒污泥并選擇部分污泥樣品進(jìn)行掃描電鏡分析和磷脂脂肪酸測(cè)定.
2.4 分析項(xiàng)目和方法
磷脂脂肪酸(PLFA)測(cè)定：PLFA提取方法根據(jù)牛川等方法進(jìn)行并做適當(dāng)修改，PLFA生物標(biāo)記優(yōu)勢(shì)菌種分類方法根據(jù)牛川等方法進(jìn)行，數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.
PLFA具體提取方法如下：①提取與分離：取5 mL厭氧污泥離心去上清液，加入15 mL提取液(甲醇 ∶ 氯仿 ∶ 磷酸緩沖液=2 ∶ 1 ∶ 0.8，體積比)，渦旋振蕩1 min，室溫下往復(fù)式振蕩16 h，靜置10 min，收集上清液;再加15 mL提取液渦旋振蕩1 min，室溫下往復(fù)式振蕩2 h，靜置10 min，收集上清液;合并上清液，加入2.5 mL氯仿和2.5 mL無(wú)菌水，振蕩1 min，取下層液體在40 ℃電熱干浴用氮?dú)獯蹈桑缓笥? mL氯仿溶出;氯仿提取樣品用硅酸柱洗脫，在5 mL甲醇洗脫液中加入50 mg · L-1內(nèi)標(biāo)十九烷酸100 μL，在40 ℃電熱干浴用氮?dú)獯蹈桑笥? mL氯仿溶出;②皂化：加入1 mL試劑1(NaOH ∶ 甲醇 ∶ 蒸餾水=45 g ∶ 150 mL ∶ 150 mL)，擰緊蓋子振蕩5~10 s后，置沸水浴5 min，振蕩5~10 s后再放置于沸水浴中25 min，取出后用冰浴冷卻;③甲基化：加入2 mL試劑2(6 mol · L-1 HCl ∶ 甲醇=325 mL ∶ 275 mL)，渦旋振蕩，80 ℃加熱保溫10 min，取出后冰浴冷卻;④萃取：加入1.25 mL試劑3(正己烷 ∶ 甲基叔丁醚=200 mL ∶ 200 mL)，振蕩提取PLFA甲酯，吸取上層正己烷相;⑤洗滌：加3 mL 1.2%的NaOH溶液，搖動(dòng)5 min，吸取上層溶液轉(zhuǎn)入氣相色譜瓶.
PLFA采用安捷倫7890A氣相色譜測(cè)定，氣相色譜各參數(shù)由MIDI Sherlock程序設(shè)置調(diào)用.掃描電鏡分析：污泥樣品預(yù)處理方法根據(jù)方法進(jìn)行.CODCr等按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》測(cè)定.
3 結(jié)果
3.1 不同抑制物質(zhì)及濃度下COD去除率情況
不同NO-2-N、NO-3-N和NH+4-N濃度條件下COD的去除率情況如圖 1所示，進(jìn)水COD值均為(1958±4.64)mg · L-1，空白組的COD去除率為93.23%.由于抑制作用，3種抑制物質(zhì)作用下的COD去除率均隨抑制物濃度升高呈下降趨勢(shì)，A組(亞硝氮組)和B組(硝氮組)的抑制趨勢(shì)較為接近，C組(氨氮組)與前兩組有明顯區(qū)別.A組中，低濃度的亞硝氮并未對(duì)COD去除率造成嚴(yán)重影響，40 mg · L-1亞硝氮使COD去除率降低至46.97%，亞硝氮濃度高達(dá)360 mg · L-1時(shí)COD去除率降至最低即3.49%;B組中，低濃度硝氮(15、30、60、120 mg · L-1)對(duì)COD去除率的抑制作用不明顯，210 mg · L-1硝氮使COD去除率下降至40.86%，硝氮濃度高達(dá)300 mg · L-1時(shí)COD去除率下降至10.85%;C組中，隨著氨氮濃度的升高，COD去除率呈坡度下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)并不急劇，濃度最高達(dá)3000 mg · L-1時(shí)COD去除率僅下降至71.53%.
圖1 不同濃度NO-2-N、NO-3-N和NH+4-N條件下COD的去除率情況(橫坐標(biāo)各組對(duì)應(yīng)的具體濃度值見表 1)
研究發(fā)現(xiàn)，硝氮對(duì)顆粒污泥抑制作用50 h后，隨著硝氮濃度從75 mg · L-1增加到300 mg · L-1，顆粒污泥對(duì)COD的降解速率從402.72 mg · h-1 · g-1降至171.59 mg · h-1 · g-1，而低濃度硝氮條件下厭氧顆粒污泥的COD去除效果無(wú)明顯變化，表明顆粒污泥在低濃度的硝氮負(fù)荷下具有一定的抵御能力，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)論相近，這可能是由于低濃度下抑制物在顆粒污泥中遷移傳質(zhì)受到限制.雖然低濃度硝氮和亞硝氮作用顆粒污泥5 d后COD去除率未明顯下降，但在測(cè)定厭氧微生物活菌百分比時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒污泥中厭氧微生物的活菌百分比發(fā)生下降(如60 mg · L-1的亞硝氮和硝氮分別使厭氧微生物的活菌百分比降低至68.8%和74.9%).通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中氨氮濃度的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，C組中的氨氮在系統(tǒng)中的濃度隨時(shí)間幾乎沒有明顯變化，這可能是由于在厭氧污泥體系中能夠利用氨氮的微生物較少，抑制是一直存在的，因此，氨氮組即使在較低濃度也會(huì)出現(xiàn)COD下降現(xiàn)象.
3.2 顆粒污泥表觀形態(tài)變化
根據(jù)3.1節(jié)中的COD去除率變化選擇具有代表性的濃度組(A組：A2、A4、A6;B組：B2、B4、B6;C組：C1、C3、C5)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定.圖 2為放大10000倍后的顆粒污泥的掃描電鏡圖.由圖 2可見，空白組厭氧顆粒污泥表面幾乎為8~25 μm長(zhǎng)的桿狀菌，伴隨有少量的球菌，污泥表面凹凸不平孔隙交錯(cuò)，是內(nèi)部微生物能量代謝的重要通道.在高濃度的亞硝氮、硝氮和氨氮(A6、B6和C5)作用下，厭氧顆粒污泥的表面結(jié)構(gòu)都發(fā)生明顯變化，污泥表面的主要細(xì)菌由桿狀菌變?yōu)榍驙罹瑤缀醪灰姉U菌.低濃度抑制作用下，污泥表面主要細(xì)菌為桿菌和球狀菌，且與空白組相比桿菌比例明顯降低.
圖2 不同條件下厭氧顆粒污泥掃描電鏡圖(×10000)
3.3 PLFA生物標(biāo)記及脂肪酸分類分析
各組樣品的PLFA組成情況如表 2所示，其中，在各組樣品中含量比均低于0.5%的PLFA因含量過(guò)低而不具體列出，磷脂脂肪酸的碳鏈長(zhǎng)度主要分布在C10~C20之間，共檢測(cè)到31種類型的磷脂脂肪酸，其中，占主要比重的磷脂脂肪酸為C15:0 a和C16:00.表 2中，與空白相比，A組和B組中的C15:0 a含量隨著抑制物質(zhì)濃度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而C15:0 a在指示厭氧細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的PLFA中占有較高負(fù)荷.C組的C17:1 w8c與空白相比隨著抑制物質(zhì)濃度升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且C17:1 w8c為指示革蘭氏陰性菌的PLFA的主要因子.
表2 厭氧顆粒污泥整體磷脂脂肪酸情況
本實(shí)驗(yàn)基于表 2數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)PLFA生物標(biāo)記優(yōu)勢(shì)菌種研究了這3種抑制物質(zhì)對(duì)厭氧細(xì)菌群落的影響，各樣品中PLFA生物標(biāo)記優(yōu)勢(shì)菌種變化如圖 3所示.由圖 3可知，所有樣品的優(yōu)勢(shì)菌種均為革蘭氏陽(yáng)性菌和厭氧細(xì)菌.在亞硝氮、硝氮和氨氮存在下，微生物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變化;亞硝氮和硝氮對(duì)生物標(biāo)記優(yōu)勢(shì)菌種的影響呈現(xiàn)一定的相似性，氨氮的抑制效果區(qū)別于前兩者.A組中，隨著亞硝氮濃度的上升，厭氧細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的百分比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，高濃度亞硝氮(360 mg · L-1)使厭氧細(xì)菌含量由37.71%下降至16.09%，革蘭氏陽(yáng)性菌含量由44.04%下降至19.73%，革蘭氏陰性菌呈現(xiàn)出先下降后略微上升的趨勢(shì).目前，有關(guān)亞硝氮和硝氮對(duì)厭氧細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響還鮮見報(bào)道，多偏向于對(duì)生物除磷系統(tǒng)微生物群落的影響研究.如研究了亞硝氮對(duì)強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，亞硝氮的存在改變了微生物群落結(jié)構(gòu)且群落組成無(wú)法恢復(fù)，聚糖菌(GAOs)相比聚磷菌(PAOs)具有更強(qiáng)的抵抗力和恢復(fù)能力.B組中，隨著硝氮濃度的上升，厭氧細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，高濃度硝氮(300 mg · L-1)使厭氧細(xì)菌含量下降至26.32%，革蘭氏陽(yáng)性菌含量下降至23.85%，而革蘭氏陰性菌無(wú)明顯變化規(guī)律.C組中，隨著氨氮濃度的上升，厭氧細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌基本無(wú)明顯變化，革蘭氏陰性菌具有一定的下降趨勢(shì)，高濃度氨氮(3000 mg · L-1)使革蘭氏陰性菌含量由14.72%下降至10.51%.Calli等研究了450 d內(nèi)6000 mg · L-1氨氮對(duì)厭氧微生物的影響，結(jié)果表明，產(chǎn)乙酸菌比產(chǎn)甲烷菌對(duì)氨氮的敏感性更高，而產(chǎn)乙酸菌如Clostridium aceticum、Acetobacterium woodii等多為革蘭氏陽(yáng)性菌.在研究氨氮對(duì)高溫厭氧微生物的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，抑制時(shí)間為120 d時(shí)細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌種Firmicutes含量由原來(lái)的84.3%升高為94.7%，Actinobacteria含量由原來(lái)的7%下降為2.3%，而Firmicutes和Actinobacteria均為革蘭氏陰性菌.由此可見，氨氮雖對(duì)PLFA生物標(biāo)記厭氧細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的總量沒有明顯影響，但可能對(duì)其中不同種類微生物所占比重有影響.
圖3 PLFA生物標(biāo)記優(yōu)勢(shì)菌種
3.4 主成分分析
主成分分析(PCA)可以通過(guò)不同樣品PLFA的狀況反映微生物種群的變化.主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分別含有62.71%和18.64%的差異度(圖 4).因子C15:0 i、C18:00、C13:00、C15:0 a、C16:00、C14:0 i、C16:0 i和C14:00在PC1上有較高的負(fù)荷，因子C17:00、C19:00、C18:1 w7c 11-methyl、C17:0 2OH、C17:0 i 3OH和C17:0 a在PC2上有較高的負(fù)荷.
由圖 4可以看出，PC1反映了不同抑制物質(zhì)對(duì)PLFA的影響，PC2反映了不同抑制濃度對(duì)PLFA的影響.主成分分析顯示，各樣品間有較明顯的差異，A2、A4、A6、B6與空白之間的差異度較大，剩余樣品與空白之間的差異度相對(duì)較小.厭氧微生物的PLFA對(duì)亞硝氮的敏感度最高，即使低濃度的亞硝氮(A2)也會(huì)引起PLFA較大的變化;與亞硝氮不同，高濃度硝氮(B6)會(huì)引起PLFA較大變化，而低濃度(B2和B4)下與空白的差異度較小;氨氮(C1、C3和C5)對(duì)厭氧微生物PLFA的影響相對(duì)前兩者較小，且在濃度梯度上變化不大.
3.5 PLFA香農(nóng)-威爾(Shannon-Wiener)多樣性分析
本文運(yùn)用Shannon-Winener多樣性指數(shù)考察PLFA的豐富度和均勻度，來(lái)反映微生物種群的多樣性.Shannon-Winener多樣性指數(shù)通常被定義為：
其中，H為Shannon-Winener指數(shù)，s為樣品中磷脂脂肪酸的總數(shù)，pi為各磷脂脂肪酸所占百分比(Niu et al., 2012).
各樣品的Shannon-Winener多樣性指數(shù)見表 3.由表 3可知，與空白相比，亞硝氮導(dǎo)致微生物細(xì)菌種群多樣性下降，30 mg · L-1亞硝氮即可使PLFA多樣性指數(shù)下降至1.02，亞硝氮的濃度越高，微生物的PLFA多樣性指數(shù)越低;高濃度硝氮(如B4和B6)會(huì)導(dǎo)致PLFA多樣性下降，而低濃度硝氮(如B2)對(duì)PLFA多樣性指數(shù)并無(wú)明顯影響;氨氮組中，隨著氨氮濃度的升高，PLFA多樣性指數(shù)并無(wú)降低現(xiàn)象.
表3 各個(gè)樣品香農(nóng)-威爾多樣性指數(shù)
亞硝氮和硝氮導(dǎo)致厭氧微生物PLFA多樣性指數(shù)下降，一方面可能歸因于反硝化功能菌群在污泥體系中的地位得以增強(qiáng)，另一方面可能是由于亞硝氮和硝氮對(duì)某些微生物具有直接的毒性作用，從而導(dǎo)致這部分微生物直接死亡.而氨氮的毒性作用并沒有影響微生物細(xì)菌群落的多樣性，這與Zhang等的研究結(jié)論相一致.
4 結(jié)論
1)亞硝氮和硝氮濃度低于120 mg · L-1時(shí)系統(tǒng)COD去除率無(wú)明顯變化，當(dāng)二者濃度高于120 mg · L-1后隨濃度增加抑制作用增強(qiáng);氨氮對(duì)COD去除率的抑制程度隨濃度的升高而增加.
2)高濃度的亞硝氮、硝氮和氨氮作用下，污泥表面的主要細(xì)菌由桿狀菌變?yōu)榍驙罹?低濃度下，污泥表面桿菌和球狀菌并存.
3)無(wú)論是從COD變化角度還是從PLFA生物標(biāo)記優(yōu)勢(shì)菌種角度看，亞硝氮和硝氮均呈現(xiàn)相似的抑制模式，氨氮與前兩者有顯著差異.亞硝氮和硝氮使厭氧細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的含量下降，而氨氮僅作用于革蘭氏陰性菌;亞硝氮和硝氮對(duì)PLFA香農(nóng)-威爾多樣性指數(shù)有明顯影響，而氨氮并無(wú)明顯作用.
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