高品质生物流化床填料MBBR厂家藻生物膜减少微生物源溶解性有机氮的排放

　　高品质生物流化床填料MBBR厂家藻生物膜减少微生物源溶解性有机氮的排放

　　高品质生物流化床填料MBBR生产厂家藻生物膜减少微生物源溶解性有机氮的排放。

　　成果简介

　　本文揭示了藻生物膜在水处理过程中减少微生物源有机氮的潜力和机制，推动了藻生物膜工艺在水处理领域的发展。

　　全文速览微生物源溶解性有机氮(mDON)的排放容易导致水体富营养化和有害水华的发生，所以亟需在污水处理过程中限制其产生和排放。近年来，新兴的藻生物膜工艺因其高效的营养物(氮、磷等)去除效率广受关注，但其是否能应用于mDON的控制尚不清楚。

　　本研究以传统活性污泥工艺作为比较基准，评价了藻生物膜在处理市政污水过程中mDON的产生和利用效果，并利用高分辨率质谱(傅里叶回旋共振质谱)和宏基因组学技术解析了mDON的分子特征及mDON在藻生物膜中的产生和利用机制。当进水为不含DON的模拟市政污水时，藻生物膜的mDON产生量比活性污泥少83%。

　　当进水为活性污泥出水(藻生物膜相当于三级处理工艺的情况)，藻生物膜消耗了至少72%的外源mDON并主要减少了蛋白质和氨基糖类物质。在上述两类进水条件下，藻生物膜最终都产生了更多样化的氢碳化合物和单宁类似物。

　　RDA和网络分析强调了菌藻相互作用(如互养共栖)在减少mDON排放及减弱其生物有效性中的作用。此外，基于宏基因组学的代谢重构表明藻生物膜中的蓝藻Limnothrix和Kamptonema促进了mDON的吸收、氨化和重复利用以满足共生体系对氨基酸、维他命和辅因子生物合成的强烈氮同化需求并因此推动了mDON的消耗。

　　本文证实了蓝藻主导的藻生物膜工艺无论是作为二级工艺还是三级工艺均能够有效减少生物可利用的mDON排放，为将来建立有效的富营养化控制手段提供了启示。

　　引言

　　目前大部分污水处理厂(尤其那些采用了生物强化营养去除工艺的污水处理厂)能有效地去除溶解的无机氮(DIN)，而溶解的有机氮(DON)已成为出水残留氮中不可忽略的部分(25–95%)。

　　微生物来源的DON(即mDON)构成了传统活性污泥(AS)工艺中废水DON的主要部分。这些mDON物质，例如氨基酸，是消毒副产物的前体物质。

　　更重要的是，活性污泥产生的mDON具有很高的生物利用度，可促进藻类的生长，但这些mDON对基于活性污泥法的工艺中难以去除。

　　因此，开发基于非活性污泥的 mDON控制技术对于减轻DON污染具有实际意义，有利于进一步减少氮排放并最终减轻水生环境中的富营养化。

　　藻类生物膜(AB)是真核藻类或蓝细菌为主的附着式生长共生体系，包括各种自养和异养微生物。

　　近年来，由于其去除营养的潜力，引起了学界的广泛关注并聚焦在污染物的生物修复，和生物产品(例如生物燃料)的制造方面。

　　与传统的基于活性污泥的硝化反硝化工艺相比，AB具有许多实际优势，包括高养分利用率和低能耗。因此在未来严格的污水排放标准下，AB有望替代活性污泥工艺。

　　此外，AB可以用作三级处理工艺或侧流处理工艺作为现有污水处理厂氮强化去除的升级方案。但是，AB的当前应用仍然集中在去除DIN上，而对其性能和DON去除的效果和特性了解甚少。

　　有机质是藻类和光养群落的重要的碳和营养来源。最近的研究实验表明，Chlamydomonas reinhardtii纯培养和Selenastrum capricornutum和细菌共生体可以利用DON生长。然而目前关于藻-细菌共生形成和利用mDON知之甚少。

　　此外，尽管已经研究了AB的微生物结构，但其代谢特性，尤其是涉及含氮有机物代谢的代谢特性，仍未得到充分研究。

　　傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)已被广泛用于溶解有机物的分子表征。结合高通量测序技术，能够建立mDON的分子组成，微生物群落及功能三者的关系。生物信息学算法的进展能够基于草图基因组(MAG)进行精确的代谢重建，从而使得确定单个微生物在mDON代谢中的特异性作用成为可能。

　　图文导读

　　出水mDON

　　Figure 1. Nitrogen removal performance of reactors. (a) Effluent concentration of total dissolved nitrogen (TDN). (b) Effluent concentration of microbe-derived dissolved organic nitrogen (mDON). The letters above the boxplots indicate the significance of variances estimated from the Tukey HSD test at the confident level of adjusted p-value <0.05. The reactors with the same letter were not significantly different from each other concerning the mean value. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　在总氮去除方面，AB1反应器的性能优于AS反应器(图1a)，出水总氮浓度(1.87±0.26 mg·L–1)显著低于AS反应器(6.06±0.71 m·L–1)。鉴于合成废水中不存在DON，AB1和AS反应器的所有DON均为mDON。

　　相比AS产生的mDON的浓度(1.20±0.36 mg·L-1，图1b)，藻生物膜反应器组AB1产生的mDON浓度要低得多(0.21±0.16 mg·L–1)。这一浓度水平也远低于富营养化湖泊中报告的浓度(0.53–1.16 mg·L–1)。

　　表明AB具有减轻废水处理产生的富营养化风险的潜力。藻生物膜反应器组AB2的进水是AS的出水，以测试AB是否可以利用AS产生的mDON。结果表明，AB2使DON浓度降低了72.3%，所得浓度与AB1产生的浓度相似(图1b)。

　　mDON组成

　　Figure 2. Van Krevelen diagrams compare (a) nitrogenous compounds produced by algae biofilm (AB) and activated sludge (AS) when feeding with synthetic wastewater, and (b) AS-derived nitrogenous compounds before and after the treatment by AB. Larger dots indicate the stably present formulae while smaller dots indicate the stochastically present formulae. The types of molecules include (1) lipids, (2) proteins/amino sugars, (3) carbohydrates, (4) unsaturated hydrocarbons, (5) lignin, (6) tannins, and (7) condensed aromatics. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　FTICR-MS用于表征mDON的分子组成(图2)。尽管AB1产生的mDON浓度较低，但AB1(800个分子式)的mDON化学多样性与AS(749个分子式)相当。

　　但是，AB1和AS一致产生的mDON分子只占总量的10.5%。AB1和AS中分别存在311个(38.9%)和229个(30.6%)稳定产生的mDON分子(图2a)。

　　AS产生了更多的富含氮的碳水化合物和蛋白质/氨基糖类似物，这些化合物导致了AS产生的mDON的高生物利用度(MLBL=49.8%)，将会导致富营养化。相反，AB1产生更多的难降解的木质素和不饱和烃类似物，其生物利用度低得多(MLBL=22.2%)。

　　根据FTICR-MS分析(图2b)，AB2消耗了大量AS产生的蛋白质/氨基糖和碳水化合物样类似物，并大量产生了木质素和不饱和烃样DON。

　　所得的DON组成与AB1的更相似，这表明AB可以以某种方式将外源mDON转化为AB特有的mDON。

　　由于篇幅和版权关系此处省略图3和图4(主要论证微生物组成对mDON形成的关系)。

　　机理探究

　　Figure 5. Comparisons of nitrogen acquisition and metabolism (KEGG pathway map00910) between the algae biofilm (AB) and activated sludge (AS). The colors of the bar plots indicate the hosts of corresponding functional genes at the phylum level. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　蓝细菌Limnothrix增强了AB1中的氮同化作用。AB1中氨氮(amt)和硝酸盐氮(nrtABC)转运蛋白基因的相对丰度比AS中的相对丰度高2.9-6.6倍。

　　同时，氨通过硝酸盐/亚硝酸盐的还原反应(narB和nirA)转化而来，这表明藻类对氨氮的需求量很大。相反，由于不存在氨单加氧酶(amoABC)，通过硝化作用损失氨氮的可能性较小。与增加的氨氮吸收相一致，蓝细菌主导的谷氨酸合成酶(GLU)的相对丰度提高了3.4倍。促进的谷氨酸合成可以最终促进微生物的生长，这与蓝细菌的生长优势是一致的(图3c)。

　　尽管如此，AB1中以变形菌主导的谷氨酰胺(glnA)和谷氨酸(gltBD)的合成潜力仍与AS中的相当。我们推测氮是在生物膜内循环的，因为已证明异养细菌能够受益于蓝细菌的交叉供养而维持其增殖。因此，mDON的排放至水体的量受到了限制。

　　AB2中DIN同化潜力的增加低于AB1。这是因为以AB1为主的Limnothrix具有三拷贝的转运蛋白基因，而AB2中主导的Kamptonema和Phormidium仅具有双拷贝。Limnothrix在DIN吸收方面的优势使其在富含氨氮的废水中占主导地位。

　　但是，在富含DON但缺乏氨氮的条件下，Kamptonema可以增强羟胺还原(hcp)，甲酰胺水解(amiF)和固氮(nifDKH)以获得氨。增强的氨化潜力在一定程度上表明了AB2能够利用AS产生的mDON。

　　至于有机氮(基于TCDB数据库)的跨膜转运，只有AB1比AS的基因丰度稍高23%。但是AB2中有许多与氨基酸摄取有关的基因有很高的丰度。

　　例如，yhdWXYZ和FraCD基因的相对丰度分别比AS中的相对丰度分别高57和15倍。这可能有助于AB2对蛋白质/氨基糖类mDON的消耗(图2b)。

　　此外，高亲和力的尿素转运蛋白(urtABCDE)和多胺吸收系统(potABD)只在AB中检测到。AB可能通过重新吸收尿素和多胺(两种常见的含氮代谢物)来加速氮循环，从而减少了相关的mDON排放。

　　Figure 6. Comparisons of nitrogenous organic matter metabolic potentials between metagenome-assembled genomes in algae biofilm (AB) and activated sludge (AS). (a) Nonmetric multidimensional scaling analysis (NMDS) displays the overall variability. (b) Number of unique and shared KEGG Modules. (c) Similarity percentages analysis displays the enrichment of KEGG Modules driving the functional dissimilarities. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　在AB和AS之间，DON代谢功能谱图有显着差异(图6a)。但是，AB1和AB2之间没有观察到显着差异，这表明尽管AB1和AB2中的微生物群落有所不同(图3)，但它们在含氮物质代谢方面的功能潜力却是相似的。

　　这种现象支持了AB微生物群在DON代谢中的高功能冗余性。图6b分别列举了AB和AS中涉及氮物质代谢的134个和137个KEGG模块。它们中的大多数由AB和AS微生物群落共享，而分别只有六个和九个KEGG模块分别隶属于AB和AS。为了进一步探索AB与AS不同的功能，进行了SIMPER分析(图6c)。值得注意的是，所有显着不同的模块在AB中的丰度都比在AS中更高。

　　这表明AB在氮有机物代谢方面具有压倒性的遗传投资优势，尤其是辅助因子，维生素和氨基酸的生物合成和代谢。为了维持这些生物合成活动的氮需求，AB菌群必须保持大量的氮供应。这可能是AB必须通过回收利用mDON的原因。

　　小结

　　我们的发现表明藻生物膜不仅可以显着减少mDON的形成还可以有效地消耗AS产生的mDON。

　　此外，通过增加对生物可利用度高的mDON(即类似蛋白质/氨基糖和碳水化合物的mDON)的吸收，氨化和回收利用，AB菌群最终使排放的mDON的可生物利用度降低，从而有效减小由mDON引起的富营养化风险。蓝细菌而非真核藻在AB中占主导地位，并且在减少mDON排放和生物利用度中起主要作用。

　　蓝藻主导的比真核微藻主导的AB更适合于废水DON的控制，特别是对于处理低C / N比废水有很大优势。

　　此外，蓝细菌的相对丰度与mDON的减少呈正相关(见原文)。增加蓝细菌的丰度或增强蓝细菌的活性可能会进一步减少mDON排放。然而，这项研究强调了蓝细菌和其他细菌在最小化mDON排放方面的协同作用。

　　藻类和细菌之间的相互交叉进给加速了藻-细菌群落中的养分利用，反之亦然。这些种间相互作用促进了mDON的回收和mDON的清除。

　　因此，建立支持藻类生长的共生细菌群落也很重要。在实际废水处理中，进水中可生物降解的mDON和惰性DON化合物往往同时存在。已经发现基于藻类的技术可以有效降解传统AS工艺中对生物降解呈惰性的微污染物(例如药物)。

　　耦合高度生物多样性和广泛存在的藻-细菌协同相互作用，AB为难降解的DON降解提供了额外的降解途径。在广泛的氮需求的驱动下，AB可以迅速消耗惰性DON降解产生的生物可利用的中间体，特别是在反应时间允许的情况下。所以将来有必要研究处理实际废水DON下AB的效果。

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