摘要
NO2-作为脱氮中间产物，可作为反硝化除磷菌(Denitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms,DPAOs)的电子受体进行缺氧吸磷，但其浓度达到一定值时会对微生物活性产生不利影响。然而，目前关于NO2-、pH值及其质子化产物——游离亚硝酸(Freenitrousacid，FNA)对微生物活性的抑制效应始终没有统一的定论。为此，本研究以NO2-型DPAOs为研究对象，探究了梯度投加NO2-条件下DPAOs的代谢特性以及不同pH值和温度条件下NO2-对DPAOs的抑制效应及其解毒机制，并借助分子生物学手段，从全方位、多角度分析NO2-、pH值和FNA对微生物活性的影响，以期为关于NO2-抑制的争议性问题提供理论解释，同时，也为受NO2-影响的污水处理厂的稳定运行提供解决方案。主要研究结果如下: (1)分别以厌氧-好氧交替和厌氧-缺氧-好氧交替的方式富集聚磷菌(Polyphosphateaccumulatingorganisms,PAOs)和DPAOs，系统运行67d后，SBR反应器中成功富集到DPAOs。在DPAOs的驯化过程中，通过延长缺氧时长和调整NO2-的进药方式为分批投加后可以减轻NO2-对DPAOs活性的抑制，提高DPAOs的缺氧除磷率，SBR1和SBR2系统的最高缺氧除磷率分别为60.30％和64.17％。高通量测序结果显示，SBR1和SBR2系统中具有反硝化除磷功能的菌属是Flavobacterium、CandidatusAccumulibacter、Pseudomonas和Dechloromonas,其中Flavobacterium是两系统中占比最高的DPAOs菌属，相对丰度分别为24.71％和9.86％。同时，SBR1和SBR2系统中占比较高的聚糖菌(Glycogenaccumulatingorganisms,GAOs)为CandidatusCompetibacter,相对丰度分别为4.28％和15.61％。 (2)NO2--N浓度对DPAOs代谢性能影响的试验表明，SBR1和SBR2系统的最佳NO2--N投量分别为20mg/L和30mg/L，且SBR2系统对NO2-的耐受性更强。可能与SBR2系统中GAOs的相对丰度较高有关，其具有反硝化能力的某些进化枝——反硝化聚糖菌(Denitrifyingglycogenaccumulatingorganisms,DGAOs)，能够利用NO2-/NO3-作为电子受体进行内源反硝化过程，与DPAOs共用NO2-，通过降低NO2--N浓度的方式减轻对DPAOs活性的抑制。高浓度NO2--N胁迫下，胞内聚合物——聚β-羟基烷酸(Poly-β-hydroxyalkanoates,PHA)的降解主要用于NO2--N的还原以解毒而非磷的吸收，同时，缺氧阶段糖原(Glycogen,Gly)水平不升反降，可能是转化为聚β-羟基烷酸(Poly-β-hydroxyalkanoates,PHA)来抵御高浓度NO2--N对DPAOs的不利影响。梯度NO2--N浓度投加结果表明，当缺氧阶段无电子受体投加或电子受体投加不足时，缺氧吸磷代谢向好氧吸磷代谢转移，后曝气阶段成为吸磷的主要贡献阶段，缺氧阶段无电子受体投加时也有吸磷现象，可能与Flavobacterium的代谢有关，其某些进化枝可能有类似于Tetrasphaera那样的代谢机制。随着NO2--N浓度的升高，缺氧除磷率也相应升高，然而，当NO2--N浓度达到一定值时，DPAOs的吸磷活性受到抑制，强化生物除磷(Enhancedbiologicalphosphorusremoval,EBPR)系统的除磷性能下降。 (3)不同pH值条件下的NO2-胁迫实验表明，缺氧初的pH值为7.5左右时，DPAOs对NO2-的耐受性最强，20mg/LNO2--N投加条件下获得最高缺氧除磷率，为87.07％,此条件下，主反应器缺氧阶段分3次共投加30mg/LNO2--N,缺氧除磷率可达到95％左右。pH值在7.0以下时，pH值越低越有利于NO2-的还原，当DPAOs的代谢活性被完全抑制时，DPAOs在缺氧阶段通过释磷产生能量用于NO2-的还原以解毒，且pH值越低，同浓度NO2--N投加条件下的缺氧释磷量越高。用FNA值评价对DPAOs活性的影响时，应注意pH值范围，pH值小于7.5时，pH值越小，FNA计算值越大，同浓度NO2--N投加条件下对DPAOs的抑制效果越明显，而pH值大于7.5时，不再适合用FNA值评价对DPAOs活性的影响。不同温度条件下，20℃～30℃的范围内，FNA值在8.0×10-4mgHNO2-N/L左右时，缺氧除磷效果达到最佳，超出此温度范围，温度通过影响DPAOs的代谢活性来影响其缺氧除磷效果，温度成为限制DPAOs缺氧吸磷效果的真正原因。 (4)不同pH值和温度条件下分子生物学检测结果表明，Flavobacterium是两系统中相对丰度最高的DPAOs,低pH值和高温条件均不适宜其生长增殖。Accumulibacter的IIC和IID分支是两系统中最优势的进化枝，IIC分支是对FNA耐受性最强的进化枝，而IID分支适宜在一定FNA范围内优势生长。此外，SBR1和SBR2系统在NO3-投加条件下均取得良好的反硝化除磷性能，一方面，Flavobacterium在缺氧吸磷时，可能同时利用NO2-/NO3-作为电子受体进行反硝化除磷;另一方面，菌群之间存在协同代谢效应，具有反硝化能力的Thauera和CandidatusCompetibacter将NO3-还原为NO2-，用作DPAOs缺氧吸磷的电子受体。 总之，在探究NO2-对DPAOs代谢活性的不利影响时，只有综合考虑NO2-、FNA、pH值、温度和菌群之间协同代谢的影响，才能更好的解释不同环境条件下DPAOs受NO2-的抑制机理及其解毒机制，为污水处理往更高效节能方向发展提供更好的思路。
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