低浓度硝酸盐影响好氧污泥颗粒化进程的机制研究

作     者：吴丹青 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：安强

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：好氧颗粒污泥 硝酸盐 胞外聚合物 环二鸟苷酸 非靶向代谢组学 

摘      要：好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)是21世纪最具潜力的污水处理技术之一,它占地面积小、污染物处理效果好、能源消耗低、抗冲击负荷能力强。但漫长的颗粒化过程和不稳定性制约好氧颗粒污泥在实际应用中的发展。硝酸盐作为一种常见的水体污染物,参与微生物体内氮代谢和多种氨基酸代谢,其可能会对好氧污泥的颗粒化进程具有影响,但具体机理还鲜有报道。本研究通过在序批式反应器(Sequencing batch reactor,SBR)中投加低浓度硝酸盐,以探究低浓度硝酸盐对好氧污泥颗粒化进程的影响。通过检测好氧颗粒污泥去除污染物能力、粒径、胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)及其疏水性和元素组成等指标,探究低浓度硝酸盐对好氧颗粒污泥的性能影响;通过检测环二鸟苷酸(Cyclic diguanylate,c-di-GMP)浓度及其在硝酸盐调控途径中的作用,探究低浓度硝酸盐影响好氧颗粒污泥的机理;最后通过对好氧颗粒污泥代谢物检测,进一步在代谢层面阐述低浓度硝酸盐调控好氧污泥颗粒化进程。实验结果表明,低浓度硝酸盐(10 mg/L)对好氧污泥颗粒化进程有两面性。一方面硝酸盐能够加速好氧污泥颗粒化进程,在22 d开始形成颗粒,55 d完全形成颗粒,颗粒密实、较大;但另一方面,硝酸盐不利于好氧颗粒污泥稳定性,颗粒污泥完全形成后一周左右解体。而没有添加硝酸盐的好氧污泥形成为较为缓慢,在55 d开始形成颗粒,77 d完全形成颗粒,且颗粒分布不均匀。在污染物去除能力方面,两个反应器的COD去除率始终稳定在95%以上,硝酸盐的投加能够强化接种污泥的适应能力,提高反应体系的脱氮除碳能力。通过对EPS含量及其疏水性检测发现,硝酸盐能够刺激微生物更快分泌更多的EPS,且EPS在颗粒化过程中疏水性较高。其中,蛋白(PN)是EPS中的主要增长物,对好氧颗粒污泥的形成具有重要作用。好氧颗粒污泥的主要组成元素为C、N、O和Na,其中Na会随着颗粒解体而大幅度减少。硝酸盐的添加不利于EPS中C-O、C-C、C=O、O-H、-NH的存在,而这些官能团能参与EPS与进水中金属离子的结合,使好氧颗粒污更加致密。硝酸盐能够刺激微生物产生更高浓度的c-di-GMP。相关性分析表明EPS受到c-di-GMP调控,颗粒形成受到EPS调控。另有研究表明硝酸盐可能通过其反硝化产物NO对颗粒形成进行调控,因此通过在批次成膜实验中添加SNP(硝普纳,用于产生NO)、c-di-GMP、Mn(用于抑制c-di-GMP)、N-硝基-L-精氨酸(用于抑制NO)对硝酸盐影响颗粒污泥途径进行探究,推测硝酸盐可能通过NO对c-di-GMP进行调控,进而对颗粒的形成与解体进行调控。代谢组学分析表明,硝酸盐通过为细胞提供更多电子供体,使氮代谢更加活跃,同时提高氮代谢的下游代谢路径TCA循环和尿素循环活性,为细胞新陈代谢提供更多能量。硝酸盐可能通过反硝化产生的NO调控c-di-GMP浓度升高,进而调控多糖和氨基酸合成EPS,EPS含量不断升高,颗粒开始形成。随着硝酸盐的持续投加,氮代谢、TCA循环和尿素循环更加活跃,精氨酸表达量的提高可能会产生更多NO,NO浓度升高调控c-di-GMP浓度升高,使EPS合成更加活跃,颗粒快速生长。然而持续投加硝酸盐可能会累积NO浓度,NO浓度过高会调节c-di-GMP浓度下降,从而减少EPS的合成。在此过程中,TCA循环也受到抑制,细胞可能会将EPS当作能源物质消耗满足自身新陈代谢活动。赖氨酸生物合成、托烷哌啶吡啶生物碱合成路径活性上调可能也与触发颗粒解体有关。此外,硝酸盐的投加会增加疏水性蛋白含量,提高细胞疏水性,进一步促进颗粒形成。在颗粒形成过程中,有关生物膜合成的代谢例如鞘脂代谢、角质木栓碱蜡代谢、黄素核苷酸代谢活性都得到提高。虽然硝酸盐对颗粒的稳定性有影响,但是持续投加硝酸盐能够增强细胞活性,即使颗粒解体后,EPS合成途径活跃度仍然比氨氮培养的颗粒高。