苯胺类染化废水对活性污泥中微生物群落结构的影响

董焕成

（喀什大学土木工程学院，新疆 喀什 844000）

染料化工行业是我国传统的化工产业。在染料合成及应用中，产生的染化废水排放量占工业废水的16%以上，其中含有大量的结构复杂、有毒有害和难生物降解的有机物[1]。苯胺和氯代苯胺作为重要的有机中间体，在染料等行业应用比较广泛，生产工程中也会产生大量的含苯胺类化合物的废水，其质量浓度可达数百甚至数千mg·L-1[2-3]。近年来，分子生物学技术得到了快速发展，其直接从分子水平上研究微生物资源，避免了传统微生物分析方法的局限性，在分析复杂环境微生物群落结构中具有重要优势，能更可靠、更直接地反应细菌的群落构成及多样性[4-5]。高通量测序不需对微生物进行分离培养，对微生物物种多样性以及群落结构的反映也较为真实、客观[6]。本试验通过对活性污泥法处理苯胺类染化废水中微生物群落结构进行研究，为好氧处理染化废水的实际应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

实验用水取自新乡某染化公司，具体水质指标如表1所示。实验所用活性污泥：TS值为5.81 g·L-1，VS/TS 值为 54.47%。

1.2 实验装置

表1 水质特征Tab.1 Quality of the Wastewater

反应器总容积为9L，其中有效容积为6L，采用瞬时进水和虹吸排水的模式。反应器内放置曝气头，通过pH计检测并控制反应器中pH值维持在7.5左右，定时在反应器上方取样。

1.3 实验方法

反应器进水4L，将2L活性污泥接种至反应器中，温度为室温，pH调至7.5左右。实验过程中一个驯化周期中的COD值逐渐趋于稳定。实验所用样品污泥取自反应器启动时、启动中期、启动后期，分别编号为group-1、group-2、group-3。将3组样品污泥委托上海生工生物有限公司高通量测序，对微生物群落结构进行研究。

2 结果与讨论

2.1 门、纲分类分析

图1 门分类水平上群落相对百分比Fig.1 The Relative Percentages of the Community Constitution on Phylum Level

图2 纲分类水平上群落相对百分比Fig.2 The Relative Percentages of the Community Constitution on Class Level

通过对3个污泥样品的高通量测序序列与数据库进行比对，门、纲分类水平上的群落组成相对百分比如图1和图2所示。由图1、图2可得，随着反应的进行，反应中期活性污泥中微生物种类减少硝化螺旋菌门（Nitrospirae），芽单胞菌门（Gemmatimonadetes），异常球菌-栖热菌门（Deinococcus-Thermus），酸杆菌门 （Acidobacteria），梭 杆菌 门 （Fusobacteria）， 螺 旋 体 门（Spirochaetae）等12种细菌门类，反应后期又减少装甲菌门（Armatimonadetes），疣微菌门（Verrucomicrobia），绿菌门（Chlorobi），广古菌门（Euryarchaeota） 4种门类。另外，随着反应周期的增加，变形菌门（Proteobacteria） 由反应初始的41%升至约79%，其中 α-变形菌纲 （Alphaproteobacteria）由17%升至约58%，原因是其主要生存在盐水环境中[7]。而β-变形菌纲（Betaproteobacteria） 由 13%先升至 20%后降到约8%，前期升高的原因可能是由于在输入营养的条件下得到增殖，而后期下降是因其为典型的淡水细菌，主要存在于淡水环境中[8]。γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria） 由9升至约1%。厚壁菌门（Firmicutes） 由23%逐渐降至约0.2%，拟杆菌门（Bacteroidetes） 由7%逐渐降至约2%。

2.2 属分类分析

为进一步探究活性污泥中微生物群落的变化，对微生物群落在属分类水平上进行分析，获得16个相对丰度均大于2%的细菌类群，分析结果如图3所示。由图3可得，随着反应周期的增加，α-变形菌纲在属的分类水平上分析可得，未发现的赤杆菌科 （unclassified_Erythrobacteraceae）、错玫杆菌属（Falsirhodobacter）、鞘氨醇单胞菌属 （Sphingopyxis）、紫杆菌属 （Porphyrobacter）、根瘤菌属（Rhizobium）以及未发现的瘤胃菌科（unclassified_Ruminococcaceae） 等出现了明显的变化。

错玫杆菌属 （Falsirhodobacter） 由 0%增至5.94%，是因为其存在于w（NaCl）为1%～3%、pH值为7.0、温度为30℃的环境下[9]。赤杆菌科 （Erythrobacteraceae） 由 0.09%增至 15.65%，原因是其在高盐度环境下能够生存[10]。鞘氨醇单胞菌属（Sphingopyxis） 由0.18%增至5.08%，原因是其属下的某些细菌类群能够降解芳香化合物，特别是多环芳烃（PAHs） 和六氯环己烷（HCH）异构体，此外还可以降解蒽醌染料及中间体。这说明在一定环境压力下，由于某些细菌具由特殊功能，其物质利用能力和耐受力都较强，能够进行生长增殖，进而降低了微生物群落的多样性[11]。紫杆菌属 （Porphyrobacter）由0.01%增至5.76%，是因为其能够在氧气存在时合成一种细菌叶绿素。瘤胃菌科（Ruminococcaceae） 由5.15%降至0.05%，其本身具有降解纤维素的功能，但试验废水不能为其提供所需营养。

图3 反应周期中主要菌属相对丰度Fig.3 Relative Abundance of Dominant Genus in the Acclimation Period

3 结论

反应器运行期间，微生物群落结构发生明显改变，Proteobacteria门由41%增至约79%，其中Alphaproteobacteria纲由 17%升至约 58%，Betaproteobacteria纲由13%先升至20%后降到约8%。Sphingopyxis属由0.18%增至5.08%，Erythrobacteraceae科由0.09%增至15.65%，说明苯胺类染化废水中的盐度、苯胺等因素对活性污泥中的微生物具有筛选作用，其中嗜盐菌群大量繁殖，Sphingopyxis属和Erythrobacteraceae科成为优势菌群。