CN110451638A - 一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法 - Google Patents

一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，包括以下步骤：(1)取厌氧氨氧化污泥，清洗后加入至密闭容器中；(2)再加入含有基质、重金属离子和信号分子的废水，并调节pH在6.7～7.3之间，除氧后密闭；(3)对厌氧氨氧化污泥进行培养。本发明可减轻重金属对厌氧氨氧化菌群活性的抑制作用，通过调控群体感应来有效增强厌氧氨氧化污泥对重金属的抗胁迫能力，实现厌氧氨氧化技术在实际废水中的高效脱氮。

Description

一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性 的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法。
背景技术
厌氧氨氧化是一种高效节能的新型生物脱氮技术，该技术将氨氮和亚硝氮直接转化为氮气，具有无需曝气和外加碳源，污泥产量低等优势。然而，其功能微生物厌氧氨氧化菌生长缓慢，具有密度依赖性，而且对环境条件极其敏感，这使得厌氧氨氧化菌的活性易受重金属抑制，成为厌氧氨氧化瓶颈之一。实际废水中往往同时含有氨氮和重金属，如垃圾渗滤液和养殖废水等，实际废水中的重金属严重影响厌氧氨氧化的脱氮性能。而生物法难以去除废水中重金属，仍有吸附或者低毒态的重金属存在于水处理过程中，故有必要提高厌氧氨氧化污泥抗重金属胁迫的能力。
群体感应(Quorum sensing,QS)是一种调节基因表达，改变群体生化行为，以响应细胞群密度变化的系统。细菌之间通过信号分子交流，其中高丝氨酸内酯(N-acyl-homoserine lactones,AHLs)是目前研究最为广泛、表征最为完整的一类信号分子。研究表明，以细胞信号传导为主体的群体感应在重金属的抗性中发挥重要作用。面对环境胁迫，细菌的信号分子水平与胞外多聚物(EPS)含量变化之间呈现极强的正相关性，同时EPS表现出双层微结构，有助于污泥团聚来保护内部细胞。
现有技术中，有研究通过EDTA螯合，且耦合Ca2+修复或低强度超声波刺激生物反应来缓解重金属对厌氧氨氧化污泥活性的抑制，该方法的缺陷在于，EDTA螯合诱导重金属增加其溶解性，但溶出的重金属离子无法完全去除，对厌氧氨氧化菌仍存在一定的毒害作用。
本发明可减轻重金属对厌氧氨氧化菌群活性的抑制作用，通过调控群体感应来有效增强厌氧氨氧化污泥对重金属的抗胁迫能力，实现厌氧氨氧化技术在实际废水中的高效脱氮。
发明内容
为了解决上述厌氧氨氧化菌群易受重金属胁迫而严重影响脱氮性能的技术问题，本发明的目的是在于提供了一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，可减轻重金属对厌氧氨氧化菌群活性的抑制作用，通过调控群体感应来有效增强厌氧氨氧化污泥对重金属的抗胁迫能力，实现厌氧氨氧化技术在实际废水中的高效脱氮。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，包括以下步骤：
(1)取厌氧氨氧化污泥，清洗后加入至密闭容器中；
(2)再加入含有基质、重金属离子和信号分子的废水，并调节pH在6.7～7.3之间，除氧后密闭；
(3)对厌氧氨氧化污泥进行培养。
进一步地，步骤(1)中，厌氧氨氧化污泥浓度为1.5～3.0gVSS/L，用磷酸盐缓冲溶液或者清水冲洗后加入密闭容器。
进一步地，步骤(2)中，所述基质包括以下组分及含量：70～100mg/L基质NH4 +-N、70～100mg/L基质NO2 --N，所述基质NH4 +-N与基质NO2 --N浓度比为1:1～1:1.3，微量元素Ⅰ1.25ml/L、微量元素Ⅱ1.25ml/L和微量元素Ⅲ1.00ml/L，所述微量元素Ⅰ的组成为：EDTA5.00g/L，FeSO4 9.14g/L；
所述微量元素Ⅱ的组成为：EDTA15.00g/L，ZnSO4·7H2O 0.43g/L，CoCl2·6H2O0.24g/L，MnCl2·4H2O 0.99g/L，CuSO4·5H2O 0.25g/L，NaMoO4·2H2O 0.22g/L，NiCl2·6H2O0.21g/L，H3BO4 0.014g/L；
所述微量元素Ⅲ的组成为：NaH2PO4 0.2g/L，MgSO4·7H2O 1.172g/L，CaCl20.113g/L，NaHCO3 16.8g/L。
进一步地，步骤(2)中，所述重金属离子为Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、As(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)中的至少一种，优选为Cu(Ⅱ)。在重金属胁迫时，需控制胁迫的重金属离子的浓度，使其低于该重金属对厌氧氨氧化菌的半抑制浓度。
进一步地，步骤(2)中，所述信号分子为高丝氨酸内酯类信号分子，例如3-oxo-C6-HSL、3-oxo-C8-HSL、3-oxo-C12-HSL、C6-HSL、C8-HSL等信号分子，优选为3-oxo-C6-HSL。信号分子浓度为0.5～8.0uM。
进一步地，步骤(2)中，用4M稀盐酸和1M的氢氧化钠溶液将pH调节为6.7～7.3，所述厌氧氨氧化污泥与废水的固液比为20～25g/L。
进一步地，步骤(2)中，在35～37℃水浴中，往密闭容器中通入氩气除氧。
进一步地，步骤(4)中，将密闭容器放入35～37℃恒温摇床中，在150～180rpm下避光振荡6～12h。
本发明中，外源添加的信号分子可刺激厌氧氨氧化污泥中微生物间的群体感应，并能够促进厌氧氨氧化菌群EPS的生成，进而达到增强污泥团聚，抵抗重金属胁迫的目的。在厌氧氨氧化污泥中，厌氧氨氧化菌通常增殖于内部区域，当污泥遭受重金属离子胁迫时，污泥外层的EPS可起到吸附及防护作用。同时，厌氧氨氧化菌群中多种细菌拥有群体感应系统，并且利用信号分子产生交互作用。对于多种细菌共存的菌群，细菌之间的交互作用以及不同细菌的抗性作用，进一步强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明方法可有效调控厌氧氨氧化菌群的群体感应，提高厌氧氨氧化污泥对重金属的抵抗能力，保持厌氧氨氧化菌群的活性及脱氮性能。
(2)方法简单可行，重金属胁迫下，与未添加信号分子的厌氧氨氧化污泥相比，运用本方法的厌氧氨氧化污泥具有更高的重金属抗性。
附图说明
图1是基质氨氮浓度随时间变化的曲线图；
图2是基质亚硝氮浓度随时间变化的曲线图；
图3是厌氧氨氧化污泥胞外多聚物的组成及含量变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明的实质精神在于通过外源添加信号分子调控厌氧氨氧化菌群的群体感应，所述信号分子能够提高厌氧氨氧化菌抗重金属胁迫能力，因此，尽管本发明的实施例以外源添加信号分子3-oxo-C6-HSL为例，但不限于该信号分子，其它可用于调节厌氧氨氧化菌抗重金属胁迫能力的信号分子，例如高丝氨酸内酯类信号分子，均可应用本发明实施例的方法。
实施例1
实验污泥：取自实验室稳定运行六个月的膜生物反应器(有效体积8.0L，污泥浓度1.55gVSS/L)和序批式反应器(有效体积8.0L，污泥浓度1.68gVSS/L)的混合污泥，总氮去除负荷分别为0.50kgN·m-3·d-1和0.54kgN·m-3·d-1。
取2.5g浓度为1.62gVSS/L的(湿)污泥用0.01mol/LpH＝7.0磷酸缓冲溶液冲洗3次后加入120mL细口血清瓶中，再加入100mL含有一定浓度基质(100mg NH4 +-N/L、100mgNO2 --N/L、微量元素Ⅰ12.5ml(其中EDTA5.00g/L，FeSO4 9.14g/L)、微量元素Ⅱ12.5ml(其中EDTA15.00g/L，ZnSO4·7H2O 0.43g/L，CoCl2·6H2O 0.24g/L，MnCl2·4H2O 0.99g/L，CuSO4·5H2O 0.25g/L，NaMoO4·2H2O 0.22g/L，NiCl2·6H2O 0.21g/L，H3BO4 0.014g/L)和微量元素Ⅲ10.0ml(其中NaH2PO4 0.2g/L，MgSO4·7H2O 1.172g/L，CaCl2 0.113g/L，NaHCO316.8g/L))及重金属离子(Cu(II)3.5mg/L)和信号分子(3-oxo-C6-HSL 8uM)，pH调至7.0±0.3的废水。用氩气置换其中的空气30min，以排出瓶内的氧气。其后使用丁基橡胶塞盖紧血清瓶，再用盖子加固，最后置于37℃±1℃恒温摇床中，170rpm下振荡8h。按照一定时间间隔使用注射器取样，样品置于4℃冰箱中保存，采用可见光分光光度计测定氨氮和亚硝氮含量。实验后，污泥样品清洗后置于-20℃冰箱中保存，采用“高速离心+热提取”的方法提取厌氧氨氧化污泥的EPS，EPS中蛋白质(PN)的含量以牛血清蛋白为标准采用Lowry法测定，多糖(PS)的含量以葡萄糖作为标准物质采用苯酚-硫酸法测定。
空白实验
同实施例1，区别仅在于未添加重金属离子(Cu(II)3.5mg/L)和信号分子(3-oxo-C6-HSL 8uM)。
对比例1
同实施例1，区别仅在于未添加信号分子(3-oxo-C6-HSL 8uM)。
基质氨氮浓度和亚硝氮浓度随时间变化的数据分别如图1和图2所示，实验后厌氧氨氧化污泥胞外多聚物的组成及含量变化如图3所示。由图1和图2可知，与对照组相比，Cu(II)浓度为3.5mg/L时抑制了氨氮和亚硝氮的降解，构成重金属胁迫条件。外源添加信号分子后，进一步促进了反应体系内氨氮和亚硝氮的降解，厌氧氨氧化污泥的脱氮性能增强。由图3可知，Cu(II)胁迫下，厌氧氨氧化污泥EPS的含量高于对照组；Cu(II)胁迫下，同时外源添加信号分子，EPS的含量增加；三组实验中蛋白质的含量无明显变化，多糖含量呈上升趋势，蛋白质与多糖之比呈微弱的下降趋势。由此说明本发明方法可有效调控厌氧氨氧化菌的群体感应，促进厌氧氨氧化菌群胞外多聚物的分泌，提高厌氧氨氧化污泥对重金属的抵抗能力，保持厌氧氨氧化菌群的活性及脱氮性能。

Claims (8)

1.一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取厌氧氨氧化污泥，清洗后加入至密闭容器中；
(2)再加入含有基质、重金属离子和信号分子的废水，并调节pH在6.7～7.3之间，除氧后密闭；
(3)对厌氧氨氧化污泥进行培养。
2.根据权利要求1所述的一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于：步骤(1)中，厌氧氨氧化污泥浓度为1.5～3.0gVSS/L，用磷酸盐缓冲溶液或者清水冲洗后加入密闭容器。
3.根据权利要求1所述的一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述基质包括以下组分及含量：70～100mg/L基质NH4 +-N、70～100mg/L基质NO2 --N，所述基质NH4 +-N与基质NO2 --N浓度比为1:1～1:1.3，微量元素Ⅰ1.25ml/L、微量元素Ⅱ1.25ml/L和微量元素Ⅲ1.00ml/L，所述微量元素Ⅰ的组成为：EDTA5.00g/L，FeSO4 9.14g/L；
所述微量元素Ⅱ的组成为：EDTA15.00g/L，ZnSO4·7H2O 0.43g/L，CoCl2·6H2O 0.24g/L，MnCl2·4H2O 0.99g/L，CuSO4·5H2O 0.25g/L，NaMoO4·2H2O 0.22g/L，NiCl2·6H2O0.21g/L，H3BO4 0.014g/L；
所述微量元素Ⅲ的组成为：NaH2PO4 0.2g/L，MgSO4·7H2O 1.172g/L，CaCl20.113g/L，NaHCO3 16.8g/L。
4.根据权利要求1所述的一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述重金属离子为Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、As(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述信号分子为高丝氨酸内酯类信号分子，信号分子浓度为0.5～8.0uM。
6.根据权利要求1所述的一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于：步骤(2)中，用4M稀盐酸和1M的氢氧化钠溶液将pH调节为6.7～7.3，所述厌氧氨氧化污泥与废水的固液比为20～25g/L。
7.根据权利要求1所述的一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于：步骤(2)中，在35～37℃水浴中，往密闭容器中通入氩气除氧。
8.根据权利要求1所述的一种基于群体感应信号分子强化厌氧氨氧化污泥重金属抗性的方法，其特征在于：步骤(4)中，将密闭容器放入35～37℃恒温摇床中，在150～180rpm下避光振荡6～12h。
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