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1、第 32 卷第 4 期2011 年 4 月环 境 科 学ENVIRONMENTAL SCIENCEVol. 32， No. 4Apr， 2011水质净化生物滤池工艺的微生物群落特征及运行效果研究向红1， 2， 3， 吕锡武1*， 杨飞2， 尹立红2， 朱光灿1( 1. 东南大学能源与环境学院 ， 南京 210096; 2. 东南大学公共卫生学院 ， 环境医学工程教育部重点实验室 ， 南京 210009;3. 贵州省疾病预防控制中心 ， 贵阳 550004)摘要 : 为探讨水质净化生物滤池 ( 生物强化滤池和生物活性炭滤池 ) 工艺的微生物群落特征和运行效果 ， 采用 Biolog 和 PCR-
2、SSCP( 单链构象多态性 ) 技术分析生物滤池中的微生物群落代谢功能与结构 ， 测定生物滤池进出水 NH+4-N、NO2-N、高锰酸盐指数 、UV254和 BDOC 等指标 ， 考察其净水效果 . 结果表明 ， 原水经过生物滤池后 ， 出水微生物群落代谢活性显著降低 ， 说明生物滤池截留了原水中的活性微生物 . 工艺运行 6 个月后 ， 2 个生物强化滤池中微生物群落代谢特征相似 ， 其碳源利用率分别为 73. 4% 和75. 5% . 2 个生物活性炭滤池中微生物群落代谢特征存在明显差异 ， 颗粒活性炭生物滤池微生物群落碳源利用率 79. 6% 高于柱状活性炭生物滤池的 53. 8% (
3、p 0. 05); 而生物活性炭滤池的颗粒活性炭填料有利于微生物群落生长繁殖 ， 微生物群落有较强的代谢活性 ， 其滤池对 NH+4-N、高锰酸盐指数 、BDOC 的去除效果优于柱状活性炭生物滤池 ( p 0. 05) . However， in biological activated carbon filters， granule-activated carbon isconducive to microbial growth and reproduction， and the microbial communities in the biofilter present high meta
4、bolic activities， andthe removal efficiency for NH+4-N， permanganate index and BDOC is better than the columnar activated carbon filter( p 0. 05) . 有文献报道生活污水砂滤处理系统中的微生物群落对 31 种碳源的利用率超过 80% 25， 而本研究中 ， 各生物滤池微生物群落对碳源的利用率低于 80% ， 主要原因在于本水质净化处理系统的供水水源水属于贫营养型 ， 加之微生物之间相互作用如竞争 、捕食与抗生等作为微生物群落的选择压力 25致使滤池微生
5、物群落多样性和分解代谢能力相对较低 . 将不同生物滤池中微生物群落对 Biolog 微平板中胺 /氨基化合物类 、氨基酸类 、糖类 、羧酸类 、双亲化合物类 、聚合物类碳源利用率进行分析 图 3( b)， BACF2 号中微生物群落对胺 /氨基化合物类化合物的利用率较 BACF1 号中的高 ( p 0. 05) . 在 2个生物强化滤池的比较中 ， BEAF1 号中微生物群落对胺 /氨基化合物类化合物的利用率比 BEAF2 号中的高 ， 而对糖类化合物的利用率比 BEAF2 号中的低 ， 2 个滤池中的微生物群落对氨基酸类 、羧酸类 、双亲化合物类 、聚合物类化合物的利用率一致 ( p 0.
6、05)， 该结果表明 ， 各滤池中微生物群落对不同种类碳源利用效率上存在差异 ， 滤池间微生物群落具有不同的代谢功能 .进一步将生物滤池中微生物群落碳源代谢 96 h时 Biolog 数 据 用 主 成 分 分 析 ( principal componentanalysis， PCA)， 即采取降维的方法 ， 用少数的相互无关的综合指标反映原统计数据中所包含的大多数信息 11. 在 31 种碳源中提取出 2 个主成分因子 PC1和 PC2， 分别占总变异的 52. 5% 和 27. 3% ， 第一主成分 ( PC1) 是变异的主要来源 . 从 31 种碳源在 2 个主成分上的载荷值可知 ， D
7、-纤维二糖 ( G1) 、D-甘露醇 ( D2) 、腐 胺 ( H4) 、-甲 基 -D-葡 萄 糖 苷 ( A2) 、N-乙酰 -D 葡萄糖氨 ( E2) 、L-精 氨 酸 ( A4) 、D-苹 果酸 ( H3) 和吐温 80 ( D1) 在第一主成分 ( PC1) 上有较高载荷 ， 说明 PC1 基本反映了这些指标的信息 ;7911环 境 科 学 32 卷图 3 不同生物滤池中微生物群落对碳源的利用情况Fig. 3 Utilized rate of carbon sources in Biolog Ecoplate by microbial community of biofilters-
8、D-乳糖 ( H1) 、-羟丁酸 ( E3) 和苯乙胺 ( G4) 在第二主成分 ( PC2) 上有较高载荷 ， 说明 PC2 基本反映这些指标的信息 . 取 PC1 和 PC2 表征生物滤池微生物的代谢特征 ( 图 4)， 从图 4 可以看出 ， BEAF1 号和BEAF2 号的微生物群落碳代谢特征较为接近 ， 均聚在 PC1 轴正方向 ; BEAF1 号稍向 PC2 轴的正端漂移 ， 虽然漂移的幅度较小 ， 但这种漂移体现出微生物群落代谢指纹发生了较小的变化 ， 说明 PC2 有一定的区分作用 . BACF2 号的微生物群落对碳源的利用落在 PC1 轴正方向 ， 而 BACF1 号的微生物
9、群落对碳源的利用落在 PC1 轴负方向 ， 两者间的微生物群落代谢特征发生了明显变化 ， 同时说明 PC1 可以区分不同的活性炭填料对生物活性炭滤池中微生物群落代谢特征的影响 .图 4 各生物滤池中微生物群落碳源利用谱主成分分析Fig. 4 Principal component analysis of utilized carbon sourcesby microbial communities from biofilters利用 NTSYS-pc2. 10e 软件对各生物滤池中微生物群落碳源代谢特征进行聚类分析 ( 见图 5)， 发现各滤池间微生物群落利用碳源的相似系数变化范围为 0. 6
10、7 0. 90 之间 ， 其中 BEAF1 号与 BEAF2 号相似程度较高 ， 两者间微生物群落种类差异小 ; BACF1号与 BACF2 号相似性较低 ， 说明两滤池中微生物群落种类差异大 .2. 3 微生物群落功能多样性分析图 5 不同生物滤池中微生物群落利用碳源谱的聚类分析Fig. 5 Cluster analyses of carbon source utilization profilesfor microbial communities from biofilters微生物群落功能多样性是描述微生物群落特征的一个重要指标 ， 可反映生物滤池中微生态状况 .不同的多样性指数可以从不
11、同角度分析生物滤池微生物群落功能多样性 ， 如 Shannon 指数可以表征滤池中微生物群落丰富度 ， Simpson 指数评估滤池中微生物群落优势度 ， 而 McIntosh 指数反映滤池中微生物群落均匀度 11. 本实验中采用 96 h 的数据 ， 通过Shannon、Simpson 和 McIntosh 多样性指数模型计算得到各生物滤池微生物群落底物利用多样性指数( 表 2) . BACF1 号中的微生物群落丰度 、优势度和均匀 性 指 数 均 显 著 低 于 BACF2 号 ( p 80% 以上 ， 具有良好的去除作用 ， 表明各生物滤池中存在大量硝化细菌 .在运行参数相同的条件下 ，
12、 2 种生物强化滤池的除污效能差异无统计学意义 ( p 0. 05)， 表现一表 3 各滤池的运行效果1)Table 3 Operation efficiency of biofilters监测指标砂滤进水 /出水 ( 去除率 )BEAF1 号进水 /出水 ( 去除率 )BEAF2 号进水 /出水 ( 去除率 )BACF1 号进水 /出水 ( 去除率 )BACF2 号进水 /出水 ( 去除率 )NH+4-N/mgL10. 25/0.19( 24.0%) 0. 25/0.05( 80.0%) 0. 250/0.037( 85.2%) 0. 19/0.03( 84.2%) 0. 19/0.02(
13、89.4%)*NO2-N/mgL10. 022/0.022 ( 0) 0. 022/0.001( 95.4%) 0. 022/0.001( 95.4%) 0. 022/0.001( 95.4%) 0. 022/0.001( 95.4%)高锰酸盐指数 /mgL11. 60/1.25( 21.8%) 1. 60/1.20( 25.0%) 1. 60/1.18( 26.2%) 1. 25/0.95( 24.0%) 1. 25/0.86( 31.2%)*UV254/cm10. 025/0.025 ( 0) 0. 025/0.022( 12.0%) 0. 025/0.022( 12.0%) 0. 025
14、/0.021( 16.0%) 0. 025/0.021( 16.0%)BDOC/mgL10. 537/0.486( 9.5%) 0. 537/0.170( 68.3%) 0. 537/0.161( 70.0%) 0. 486/0.156( 67.9%) 0. 486/0.136( 72.0%)*1) 表中数据均为 3 次测定的平均值 ， BEAF1 号与 BEAF2 号 、BACF1 号与 BACF2 号比较 ， * 表示它们之间差异有统计学意义 ( p 0. 05)， 而颗粒活性炭生物滤池对 NH+4-N、高锰酸盐指数 、BDOC 的去除率高于柱状活性炭生物滤池 ( p 0. 05) . 不
15、同生物滤池微生物群落代谢能力与滤池运行效果的对比分析提示 ， 它们之间存在着一定的相关性 .参考文献 : 1 Van der Hoek J P， Hofman J A M H， Graveland A. The use ofbiological activated carbon filtration for the removal of naturalorganic mater and organic micropollutants from water J . WaterScience and Technology， 1999， 40( 9): 257-264. 2 郜玉楠 ， 李伟光 ，
16、白宇 ， 等 . 生物活性滤池强化过滤去除饮用水中 嗅 味 J . 哈尔滨工业大学学报 ， 2008， 40 ( 12):1932-1936. 3 Seredyska-Sobecka B， Tomaszewska M， Janus M， et al.Biological activation of carbon filters J . Water Research，2006， 40( 2): 355-363 4 Mcrae B M， Lapara T M， Hozalski R M. Biodegradation ofhaloacetic acids by bacterial enrichment cultures J .Chemosphere， 2004， 55( 6): 915-925. 5 Olaniran A， Babalola G O， Okoh A I. Aerobic dehalogenationpotentials of four b
