Chem. Eng. J. | 盐度对废水处理过程中缺氧-好氧系统性能、微生物群落动态和共现网络的影响
通讯作者: 王宇光( )、周洪波( )
主单位：中南大学（南区）、河南大学（河南）
- 概括 -
高盐度是废水生物处理领域的一大挑战。阐明微生物群落如何应对盐度胁迫以及它们如何影响生态系统功能和群落稳定性对于废水处理至关重要。然而，人们对高盐度条件下微生物之间的关系知之甚少盐度胁迫。为此，采用缺氧-好氧（A/O）反应器研究尿素废水处理过程中高盐度（20-60 g/L）对系统性能、群落演替和共生网络的影响结果表明，在较宽的盐度范围内，反应器中尿素和COD的去除率均达到90%以上。微生物群落的α多样性指数随盐度的增加而降低，β多样性也发生明显变化。盐度增加导致缺氧和好氧段微生物网络中负相关比例增加，这可能是微生物在盐分胁迫下的一种生存策略。梭菌和海洋芽孢杆菌是维持反应器系统功能稳定性的关键菌种，此外，在盐度胁迫下，好氧段微生物群落比缺氧段更稳定，这些发现为理解盐度胁迫下好氧段微生物群落提供了新的视角。缺氧-好氧反应器系统中微生物对盐分胁迫的响应机制，为高盐废水的高效处理提供理论依据。
- 研究背景 -
芥末废水、海水养殖废水、受控生态生保系统（CELSS）尿液废水均具有高盐度的特点，尿液废水除了盐度高之外，还具有产量大、成分复杂等特点，成为生物废水处理中的重要污染物之一。 CELSS废水回收利用面临的挑战。虽然传统的物理和化学技术对高盐废水有很好的处理效果，但通常会造成二次污染，不能满足回收利用的需求。微生物处理技术因其在可持续利用方面的潜力而受到广泛关注。但废水含盐量较高（超过20g/L）导致微生物活性较低，处理效率较差，因此获得高效、耐盐性强的功能性微生物群落是当务之急。
承受盐度冲击负荷的能力对于高盐度废水处理过程中稳定的反应器去除性能至关重要，因为在实际废水处理过程中，尤其是在 CELSS 以及其他废水环境中，盐度可能会发生很大变化。还值得注意的是，目前对盐度诱导的环境变化与微生物群落关系的研究还缺乏系统性研究，对缺氧微生物与好氧微生物在微生物网络中的共性或差异性研究也较少见。然而，揭示微生物群落如何响应盐度胁迫和它们如何影响生态系统功能和群落稳定性对于废水处理系统至关重要。
本文以深海沉积物为接种污泥源，采用缺氧-好氧（A/O）反应器，研究高盐度（20 g/L~60 g/L）对系统性能、群落演替的影响以及尿素废水处理过程中的共现网络。目的是实现三个目标：（i）阐明盐度增加对缺氧-好氧反应器系统性能的影响；（ii）研究盐度增加对缺氧和好氧部分微生物群落和共现网络的影响；（iii）探讨缺氧和好氧部分微生物对盐度增加的反应的共性和差异。本研究将有助于我们了解缺氧段和好氧段微生物对盐度增加的响应，为处理高盐废水时调控微生物群落提供理论依据。
- 主要结果与讨论 -
1. 盐度增加对缺氧-好氧反应器系统性能的影响
缺氧微生物群落的尿素去除效率在18周后稳定在56%（NaCl 20 g/L）。然而，好氧微生物群落的尿素去除效率在短短10周内就达到了93%。随着NaCl浓度从30 g/L至60 g/L时，缺氧群落的尿素去除效率从44%大幅提高到90%。在盐度为30 g/L时，好氧微生物的尿素去除效率提高到96%以上，并保持60g/L时，说明好氧微生物对盐度的适应能力可能比厌氧微生物更强，因为好氧微生物的适应期更短，去除率更稳定。
总体来看，随着盐度的增加，反应器尿素去除率呈现波动上升趋势，在盐度为60 g/L时去除率仍保持较高的水平（图1A）。与尿素去除率的变化相比，COD去除率相对稳定（图 1B）。随着盐度从 20 g/L 增加到 60 g/L，缺氧和好氧稳定阶段的 COD 去除率分别从 51% 和 84% 增加到 63% 和 96%。这些结果表明经过长期的驯化，生物反应器中的异养微生物逐渐适应了高盐胁迫，另外好氧微生物较高的COD去除效率也表明好氧微生物可能比缺氧微生物更能耐受高盐胁迫。
图 1
2. 盐度增加对缺氧区和好氧区微生物群落的影响
如图 2 所示，在缺氧和好氧群落中，随着盐度从 20 g/L 增加到 30 g/L，α 多样性指数（OTU 数量、Chao1、Ace 和系统发育多样性）增加。然而，随着盐度的增加，这些指数下降盐度胁迫下，微生物的耐盐性逐渐增强，从 30 g/L 增加到 60 g/L。这一结果可以从两个方面解释。一方面，微生物通过驯化逐渐适应盐度胁迫。另一方面，当盐度超过微生物的耐受范围时，它们也难以应对高盐度胁迫，导致细胞死亡和α多样性降低。
注：A20、A25、A30、A40、A60 代表缺氧段盐度为 20、25、30、40、60 g/L 的样品；B20、B25、B30其中，B40、B60代表好氧段盐度分别为20、25、30、40、60g/L的样品。
图 2
图3显示了缺氧和好氧微生物群落结构随盐度的变化。同一盐度组内的微生物群落虽然与其他盐度组分开，但聚集在一起。此外，MRPP和任何两个群落之间都表现出显著差异。这是值得注意的是，不同盐度下好氧微生物群落之间的距离较小，表明盐度胁迫对好氧微生物的影响可能相对较小。
图 3
在大多数情况下，微生物多样性的减少会降低反应器的功能。在我们的研究中，随着盐度的增加，α多样性降低，群落组成发生变化，但去除效率保持相对稳定。虽然缺氧和好氧群落的β多样性发生了变化盐度增加显著影响尿素和 COD 的去除，但不影响其去除率。这些发现的一个可能解释是功能冗余。微生物可能具有不同的功能，但在不同的条件下表现出不同的功能，从而通过相互替代来维持生态系统的稳定性。在缺氧群落中， 的相对丰度下降， 和 的相对丰度上升。在好氧群落中， 的相对丰度上升， 的相对丰度下降。因此，生态系统通过 的上升和下降来维持功能的稳定性功能微生物（图4）。
图 4
3. 盐度增加对缺氧区和好氧区微生物共生网络的影响
缺氧段和好氧段的微生物网络结构随盐度的变化明显, 表明微生物群落发生了迁移(图5、图6)。可以看出, 高盐度下, 缺氧段和好氧段的微生物网络结构都比较简单(连通边少) 和聚集 (高度模块化)。 当盐度增加时，网络节点之间负相关连接的比例增加，这是微生物应对高盐胁迫的生存策略。 这一发现得到了先前观察结果的支持，即更高的模块化程度和更多的负相关提高了微生物群落和网络的稳定性，因此微生物网络间负相关较多也可能是系统中尿素和 COD 去除率稳定的原因。另外，随着盐度的逐渐升高，微生物群落经历了高盐适应期为54周，长期的盐度适应有利于建立稳定的耐盐微生物群落。
此外，好氧微生物共现网络的平均聚类系数高于缺氧微生物网络，说明好氧微生物网络具有更复杂的结构，文献表明，更复杂的微生物网络通常更稳定。因此，在本研究中，需氧微生物网络可能比缺氧微生物网络更稳定。
图 5
图 6
- 综上所述-
通过对海洋沉积物进行驯化，获得了耐盐的缺氧好氧微生物群落，当盐度从20 g/L增加到60 g/L时，尿素和COD的去除率较高，梭状芽孢杆菌和海洋芽孢杆菌负责去除污染物并维持缺氧和好氧微生物群落的功能稳定性。好氧微生物受盐度的影响小于缺氧部分。这项工作扩展了我们对缺氧和好氧共生网络对盐度胁迫的响应机制的理解，并群落演替规律，也为调控高盐废水处理工艺提供理论依据。
引用本文
陈华, 王毅, 陈哲, 等. 氧化应激与共氧化应激的关系[J]. , 2023, 461: .
- 关于通讯作者 -
中南大学
资源加工与生物工程学院
周洪波
教授、博士生导师
周洪波，男，1969年1月出生，湖南湘潭人。2000年获无锡轻工业学院（现江南大学）发酵工程（环境微生物技术）专业博士学位。1998年至1999年，曾任澳大利亚大学环境科学与生物技术系访问学者，2007年任中南大学教授、博士生导师，主要研究领域为资源、环境、工业微生物技术等。在国内外著名期刊发表学术论文100余篇，其中SCI、EI、ISTP收录70余篇，参加国际会议发表论文30余篇，担任论文审稿人在十余篇国际知名期刊和中国知名期刊发表论文，申请国家发明专利26项，已授权15项。获得省部级科技进步奖6项，多项技术应用于生产实践，产生了巨大的经济效益和社会效益。
中南大学
资源加工与生物工程学院
王宇光
杰出副教授
王宇光，男，内蒙古赤峰人，2015年获中南大学微生物学博士学位，师从邱冠洲院士、周洪波教授，主要从事分子生态学、植物进化等基础研究。海洋、极地、陆地、航天等极端环境下微生物的研究及应用，参与蛟龙号、雪龙号等深海、极地等极端海洋环境科学考察，完成两次深海、极地野外调查。雅浦海沟近7000米的深海地质构造研究，主持国家基金、国防科技工业、国家极地专项等项目10余项，作为骨干参与多项国家级、省部级科研工作。国家973重大基础研究、国家自然科学基金创新群体、国家海洋计划项目、海洋局公益性行业项目等省部级项目。
在Water、of、等国内外权威期刊发表SCI文章50余篇；申请专利13项，授权7项，获中国有色金属工业协会科技进步二等奖（曾获中国有色金属学会科学技术奖（自然科学二等奖）、湖南省自然科学二等奖、海洋工程科学技术奖二等奖，博士生国家奖学金、湖南省优秀毕业生、中南大学优秀博士生等荣誉称号。大学，担任Total、of等国际权威期刊审稿人。
- 第一作者介绍 -
陈慧，女，2022年毕业于中南大学资源加工与生物工程学院生物工程专业，获博士学位。2023年初加入浙江大学衢州研究院雷乐成团队工业生态研究所杨斌、李忠建，浙江大学化工与生物工程学院特聘副研究员、教师，致力于微生物菌剂制备及其在反硝化、碳减排中的应用研究、高盐化工废水生物处理系统构建及其生态学机理、重金属清除剂的合成与应用。
以第一作者在Water、 of Water、 of 、 of 等国内外主流期刊发表论文5篇，获得专利2项。
招聘信息
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