苯酚對(duì)活性污泥活性的影響

　　活性污泥法是以活性污泥為核心的廢水生物處理技術(shù)，其中對(duì)污染物降解起關(guān)鍵作用的是活性污泥中的細(xì)菌[1]，而作為細(xì)菌的捕食者——微型動(dòng)物在維持細(xì)菌群落活力[2]，為活性污泥中的細(xì)菌提供礦物營養(yǎng)[3]，維護(hù)活性污泥微環(huán)境生態(tài)食物鏈健康[4]，維持活性污泥系統(tǒng)穩(wěn)定[5]發(fā)揮重要作用，可作為活性污泥法廢水處理效能的指示生物[6～9].

　　水中存在的有毒有害物質(zhì)一方面會(huì)對(duì)活性污泥中的不同類別細(xì)菌產(chǎn)生不同程度的抑制效應(yīng)，對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而通過食物鏈的傳遞影響到處于食物鏈頂端的微型動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)[10];另一方面，毒害物直接對(duì)微型動(dòng)物產(chǎn)生毒害效應(yīng)，如重金屬離子[11, 12]，從而對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響.

　　苯酚是生產(chǎn)某些聚合樹脂、造紙、精煉石油以及藥物(如阿司匹林)等工業(yè)過程生產(chǎn)廢水中的主要污染物[13]，當(dāng)進(jìn)入廢水生物處理系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對(duì)活性污泥微生物產(chǎn)生影響，從而影響到廢水處理效果.目前，苯酚對(duì)活性污泥處理系統(tǒng)的毒害研究主要集中于活性污泥處理性能[14, 15]、污泥特性[16]、代謝機(jī)制[17]、動(dòng)力學(xué)[18]和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[19]等方面.為了篩選出苯酚對(duì)活性污泥處理性能(運(yùn)行參數(shù)、處理效果等)的指示生物而進(jìn)行了少量的微型動(dòng)物研究[8, 20]，而未從群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的角度揭示苯酚對(duì)活性污泥的微生態(tài)系統(tǒng)的長期影響機(jī)制.

　　本研究的主要目的是基于序批式活性污泥處理系統(tǒng)(SBR)，探究含酚廢水對(duì)活性污泥活性及微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的持續(xù)負(fù)荷影響，并探討污泥活性與微型動(dòng)物群落之間的關(guān)系，篩選污泥活性指標(biāo)的指示生物，以期為含酚廢水生物處理系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行提供生物學(xué)理論及技術(shù)依據(jù).

　　1 材料與方法

　　1.1 裝置啟動(dòng)與運(yùn)行控制

　　自制序批式反應(yīng)器(SBR)，其主體由高85 cm、內(nèi)徑7.5 cm的有機(jī)玻璃柱制成，有效容積為3.2 L.空氣壓縮機(jī)通過置于反應(yīng)器底部的微孔曝氣頭提供系統(tǒng)所需氧氣，同時(shí)為泥、水的混勻與環(huán)流提供動(dòng)力.通過調(diào)節(jié)空氣流量計(jì)控制曝氣強(qiáng)度(0.2 L ·min-1)，維持水中穩(wěn)定的溶解氧(DO)[(6.02±0.47) mg ·L-1].反應(yīng)器在室溫[(21.6±4.2)℃]下運(yùn)行.分別設(shè)置對(duì)照系統(tǒng)CK(進(jìn)水不添加苯酚)和試驗(yàn)系統(tǒng)EK[進(jìn)水添加苯酚(aladdin試劑，分析純)]這2個(gè)系統(tǒng).

　　接種污泥取自馬鞍山市某污水處理廠好氧池，采用自來水對(duì)污泥進(jìn)行清洗并均混后分別投加至2個(gè)反應(yīng)器，悶曝2 d后，混合液懸浮固體濃度(MLSS)分別為2 753 mg ·L-1和2 669 mg ·L-1，污泥沉降比(SV)均為22%.然后進(jìn)行污泥培養(yǎng)馴化，培養(yǎng)原水由靜置48 h的自來水混合配制而成，水中投加一定量的C6H12O6、 NH4Cl、 KH2PO4(微量元素來源于試驗(yàn)用水)，使BOD :N :P之比接近100 :5 :1.用NaHCO3/Na2CO3緩沖體系(pH=9.25)調(diào)節(jié)進(jìn)水pH(7.60±0.10).通過系統(tǒng)中活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性及出水水質(zhì)等指標(biāo)判定[11]，系統(tǒng)運(yùn)行約30 d，活性污泥達(dá)初步成熟，完成馴化，進(jìn)行正式試驗(yàn).

　　正式試驗(yàn)分成3個(gè)階段，在培養(yǎng)原水中加入不同量高濃度苯酚溶液(50g ·L-1)，使第1、第2、第3階段原水中苯酚溶液濃度分別為50 mg ·L-1(低濃度)、 100 mg ·L-1(中等濃度)和300 mg ·L-1(高濃度);試驗(yàn)期間，系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)控制在COD為(839.04±87.70) mg ·L-1、氨氮為(45.22±4.95) mg ·L-1、總磷為(6.65±0.34) mg ·L-1，系統(tǒng)中污泥負(fù)荷(以COD/MLSS計(jì))約為0.25 kg ·(kg ·d)-1.

　　正式試驗(yàn)期，反應(yīng)器采用間歇曝氣的方式運(yùn)行(曝氣和沉淀交替進(jìn)行，時(shí)間均為2 h)，每天運(yùn)行2個(gè)周期，每個(gè)周期12 h.在每個(gè)周期沉淀結(jié)束前將反應(yīng)器中上清液通過出水口排出，排水比(進(jìn)水體積與反應(yīng)池總有效體積之比)為1/3.2，然后補(bǔ)入新鮮原水至原水位，重新進(jìn)入下一個(gè)周期運(yùn)行，如此循環(huán)往復(fù).通過每日在曝氣階段末期排放一定量泥水混合液的方式控制MLSS在4 000 mg ·L-1左右，并控制污泥齡θ為25 d.

　　1.2 樣品采集及微型動(dòng)物鑒別計(jì)數(shù)與分類

　　正式試驗(yàn)開始后，每隔1～2 d在第1個(gè)周期(08:00~20:00)最后一個(gè)曝氣階段結(jié)束前30 min內(nèi)，通過虹吸管在反應(yīng)器垂直方向上等距離(反應(yīng)器底部往上10、 40、 70 cm處)采集3個(gè)污泥混合液平行樣用于微型動(dòng)物鑒別計(jì)數(shù).

　　使用微量移液器(DRAGON大龍)移取25 μL[單獨(dú)取樣鑒別統(tǒng)計(jì)小型鞭毛蟲(flagellates)(≤20 μL)時(shí)取樣量為5 μL]搖勻后的污泥混合液置于光學(xué)顯微鏡(PH50系列, ×100或×400)下對(duì)微型動(dòng)物進(jìn)行鑒別、計(jì)數(shù).根據(jù)形態(tài)學(xué)和行為學(xué)特征并依照?qǐng)D譜、文獻(xiàn)[21, 22]將微型動(dòng)物按需要鑒定到種或類群.原生動(dòng)物均鑒定到種，輪蟲(rotifers)、線蟲(nematodas)等微型后生動(dòng)物鑒定到類群[23].鑒定工作在5 h(最長不超過8 h)內(nèi)完成，以避免微型動(dòng)物數(shù)量和物種豐富程度在鑒別過程中改變[23, 24].將微型動(dòng)物群落中常見的纖毛蟲類原生動(dòng)物分為菌食性纖毛蟲(Bacterivorous ciliates)和肉食性纖毛蟲(Carnivorous ciliates)，其中菌食性纖毛蟲又分為匍匐型纖毛蟲(Crawling ciliates)、固著型纖毛蟲(Sessile ciliates)和游泳型纖毛蟲(Swimming ciliates)等三大類群[23]，將微型動(dòng)物數(shù)量所得數(shù)據(jù)折算成個(gè)·mL-1.

　　1.3 污泥活性與水質(zhì)及污泥常規(guī)指標(biāo)測定

　　每隔2～3 d在第1個(gè)周期最后一個(gè)曝氣階段結(jié)束前30 min內(nèi)取一定量的泥水混合液進(jìn)行污泥電子傳遞體系(electron transport system, ETS)包括TTC-ETS和INT-ETS活性測定[25, 26].其中，抑制率(IR)計(jì)算公式為：

　　式中，R0為對(duì)照系統(tǒng)測定值，R為試驗(yàn)系統(tǒng)測定值.

　　在進(jìn)水曝氣后的1 min內(nèi)取少量混勻后的泥水混合液過濾(0.45 μm微濾膜)，采用紫外-可見分光光度法(上海儀電752N)測定濾液中實(shí)際苯酚濃度(最大吸收波長為270 nm).其他指標(biāo)：化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)按照標(biāo)準(zhǔn)方法[27]測定;污泥沉降比(SV)采用30 min沉降直接讀數(shù)法測定;混合液懸浮固體濃度(MLSS)采用重量法測定;溶解氧(DO)和水溫(T)采用便攜式溶解氧測定儀(雷磁JPBJ-608)測定;pH值采用數(shù)顯pH計(jì)(雷磁PHS-25)測定.

　　1.4 數(shù)據(jù)處理分析

　　采用Shannon-Wiener指數(shù)[28]H′表征活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性，其計(jì)算公式：

　　式中，S表示物種種數(shù)，pi表示第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)占所有物種總數(shù)的百分比.

　　所有微型動(dòng)物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均取3個(gè)平行樣平均值進(jìn)行分析.統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS 19.0進(jìn)行Pearson相關(guān)性、 LSD多重比較(α=0.05)和主成分分析(PCA)，其中Pearson相關(guān)性分析之前需將所有原始數(shù)據(jù)按對(duì)數(shù)公式x=ln(x+1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換.采用Origin 9.0和Excel 2007完成相關(guān)圖表制作.

　　2 結(jié)果與討論 2.1 污泥活性對(duì)苯酚毒害效應(yīng)的響應(yīng)及其變化

　　在整個(gè)試驗(yàn)過程中，兩個(gè)活性污泥系統(tǒng)的處理效果沒有明顯的差異(P>0.05)[試驗(yàn)過程中，兩個(gè)系統(tǒng)COD和NH4+-N去除率分別為(95.38±4.41)%、 (97.06±2.42)%和(98.92±1.58)%、 (98.46±2.29)%]，可能的原因是在足夠長的反應(yīng)時(shí)間(本試驗(yàn)曝氣反應(yīng)時(shí)間為6 h)條件下對(duì)一定范圍內(nèi)濃度(<400 mg ·L-1)的進(jìn)水苯酚能夠作為碳源的一部分被細(xì)菌充分降解，以致對(duì)活性污泥處理效果不產(chǎn)生明顯影響[14, 16].但進(jìn)水濃度在400 mg ·L-1以下的苯酚對(duì)好氧污泥形態(tài)、比耗氧速率(SOUR)[16]以及活性污泥微型動(dòng)物群落種屬組成[20]均有明顯的影響.

　　電子傳遞體系(ETS)活性可表征活性污泥系統(tǒng)中的微生物活性[26, 29～31]，揭示系統(tǒng)硝化反硝化規(guī)律[26]，表征重金屬對(duì)污泥活性的影響[32, 33]. TTC-ETS和INT-ETS是用于檢測污泥ETS活性的常用方法[34]，兩者因氧化還原電位大小以及從呼吸鏈上接受電子的部位不同(后者較早地從呼吸鏈上接受電子)而對(duì)污泥活性的響應(yīng)不同[25, 35].然而，是否可以采用污泥ETS活性表征酚類有機(jī)毒害物質(zhì)對(duì)污泥活性的影響，未見報(bào)道.本研究通過測定TTC-ETS活性和INT-ETS活性，分析比較確定適用于有機(jī)毒害物苯酚對(duì)污泥活性影響的有效表征指標(biāo)，以揭示在苯酚毒害效應(yīng)影響下污泥活性的變化規(guī)律.不同進(jìn)水苯酚濃度持續(xù)負(fù)荷條件下污泥TTC-ETS活性、 INT-ETS活性及其動(dòng)態(tài)變化如表 1和圖 1所示.

　　圖 1 苯酚對(duì)活性污泥TTC-ETS活性和INT-ETS活性的影響

　　表 1 不同進(jìn)水苯酚濃度持續(xù)負(fù)荷條件下污泥ETS活性1)

　　從圖 1(a)中可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)，對(duì)照系統(tǒng)CK、試驗(yàn)系統(tǒng)EK中的污泥TTC-ETS活性分別為(200.26±65.57) μg ·(mg ·h)-1、 (152.91±63.63)μg ·(mg ·h)-1，均存在較大波動(dòng)，且變化趨勢相近，這與前人的研究結(jié)論[31]相一致，即進(jìn)水水質(zhì)等運(yùn)行參數(shù)的改變不會(huì)影響SBR系統(tǒng)中污泥TTC-ETS活性的變化趨勢.當(dāng)進(jìn)水苯酚為低濃度(50 mg ·L-1)時(shí)，苯酚的毒害效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中污泥TTC-ETS活性的影響并不顯著(P=0.499)，其抑制率IR僅為(20.75±10.43)%(圖 2，下同);當(dāng)進(jìn)水苯酚濃度增加到100 mg ·L-1時(shí)，CK、 EK兩個(gè)系統(tǒng)中TTC-ETS活性均隨運(yùn)行時(shí)間變化而有所增大，且EK系統(tǒng)的TTC-ETS活性此階段的初期更大，試驗(yàn)第36 d為230.30 μg ·(mg ·h)-1，比CK系統(tǒng)[168.57 μg ·(mg ·h)-1]大36.62%，這說明適當(dāng)濃度的苯酚會(huì)短暫地促進(jìn)污泥TTC-ETS活性的增大. ETS活性表征污泥活性的方法實(shí)質(zhì)上是通過測定好氧微生物的呼吸活性來間接指示活性污泥的生物活性[34]，故適當(dāng)濃度的苯酚短時(shí)間內(nèi)能夠通過促進(jìn)TTC-ETS活性的增長(活性污泥中微生物的呼吸增強(qiáng))來增強(qiáng)微生物(包括微型動(dòng)物，下同)對(duì)苯酚毒性生存環(huán)境的適應(yīng).隨后TTC-ETS活性開始降低，系統(tǒng)運(yùn)行第46 d，試驗(yàn)系統(tǒng)中污泥TTC-ETS活性達(dá)到最低的32.61 μg ·(mg ·h)-1，僅有對(duì)照系統(tǒng)的18.66%，抑制率高達(dá)81.34%.這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，苯酚在活性污泥中得到累積，超過污泥中微生物的耐受閾值，微生物開始大量死亡，導(dǎo)致污泥活性急劇降低，污泥TTC-ETS活性呈現(xiàn)出急劇減小的趨勢.第50 d，兩個(gè)系統(tǒng)中的污泥TTC-ETS活性逐步增大，且兩者的差距逐漸縮小，這是由于試驗(yàn)系統(tǒng)中的活性污泥某些微生物通過馴化，逐步適應(yīng)了有毒的生存環(huán)境，大量繁殖的結(jié)果.總的看來，進(jìn)水苯酚濃度為100 mg ·L-1時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)與對(duì)照系統(tǒng)中污泥TTC-ETS活性存在顯著差異(P=0.045)(表 1，下同)，說明此濃度下的苯酚毒性對(duì)污泥活性產(chǎn)生了明顯的抑制效應(yīng);進(jìn)一步增大進(jìn)水苯酚濃度至300 mg ·L-1，試驗(yàn)系統(tǒng)與對(duì)照系統(tǒng)中的污泥TTC-ETS活性差異性進(jìn)一步增大(P=0.008)，但在這一階段后期，苯酚對(duì)污泥TTC-ETS活性的抑制率相對(duì)穩(wěn)定在40%左右.

　　不包括0～100%以外的數(shù)據(jù) 圖 2 苯酚對(duì)活性污泥TTC-ETS活性、INT-ETS活性的抑制影響

　　圖 1(b)表明：在整個(gè)試驗(yàn)過程中試驗(yàn)系統(tǒng)和對(duì)照系統(tǒng)具有相近的INT-ETS活性變化規(guī)律，這與TTC-ETS活性類似.然而，LSD多重比較分析結(jié)果表明(表 1)，進(jìn)水苯酚濃度在50～300 mg ·L-1范圍內(nèi)，苯酚對(duì)污泥INT-ETS活性幾乎沒有顯著影響(P>0.05)，這可能是因?yàn)镮NT較早地從呼吸鏈上接受電子，只有細(xì)胞色素b之前的電子傳遞過程被阻斷后其活性才能受到抑制，因此INT-ETS活性受影響的概率要小一些[25].此外，TTC氧化還原電位(460 mV)明顯高于INT氧化還原電位(90 mV)[35]，TTC作為人工電子受體時(shí)在進(jìn)水濃度在50～300 mg ·L-1范圍內(nèi)的苯酚毒害作用下更容易接受電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，故污泥TTC-ETS活性比INT-ETS活性更加敏感，更適合作為苯酚對(duì)好氧污泥活性毒害效應(yīng)的響應(yīng)指標(biāo)，以反映苯酚對(duì)好氧污泥活性的影響規(guī)律.

　　2.2 苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響

　　2.2.1 苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物形態(tài)的影響

　　在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著苯酚濃度的增大，試驗(yàn)活性污泥系統(tǒng)中開始出現(xiàn)體型與微型動(dòng)物大小相近的胞囊(其個(gè)體大小為100～300 μm)，如蟲體收縮狀態(tài)下的輪蟲[圖 3(a)]，其數(shù)量變化規(guī)律如圖 3(b)所示.由圖 3(b)可知，在低濃度條件下，未觀察到胞囊，當(dāng)進(jìn)水苯酚濃度增大至100 mg ·L-1時(shí)，一些微型動(dòng)物(由觀察到的胞囊大小可以判斷出并非所有微型動(dòng)物都形成胞囊)為了避免苯酚毒性環(huán)境的毒害，纖毛等消失，身體向內(nèi)收縮成橢圓形，并在體外積累一層保護(hù)膜形成胞囊，這一現(xiàn)象在韋貞鴿等[36]的相關(guān)研究中也觀察到了.此時(shí)，胞囊開始大量出現(xiàn)，第37 d達(dá)最大值(4 640個(gè)·mL-1).隨后開始急劇減少，到第二階段結(jié)束時(shí)減至173個(gè)·mL-1，在高濃度(300 mg ·L-1)條件下，胞囊數(shù)量仍較少，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，幾乎觀察不到胞囊，說明過高濃度(>300 mg ·L-1)的苯酚其毒害作用使微型動(dòng)物形成胞囊的生存機(jī)制失效，大量死亡而消失.胞囊是微型動(dòng)物對(duì)毒性的形態(tài)適應(yīng)方式，是一種自我保護(hù)的生存機(jī)制，也是影響微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的原因之一，但由于胞囊只是微型動(dòng)物的休眠體，以下對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，不包括胞囊.

　　圖 3 苯酚毒害作用下微型動(dòng)物形成的胞囊(100倍)及其數(shù)量變化規(guī)律

　　2.2.2 苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響

　　不同濃度苯酚毒害作用下，活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)如表 2所示.

表 2 活性污泥系統(tǒng)中微型動(dòng)物群落不同類群的多度和相對(duì)多度1)

　　從表 2中可知，兩個(gè)系統(tǒng)中微型動(dòng)物群落類群組成均在不同運(yùn)行階段而所有不同.當(dāng)進(jìn)水苯酚濃度為50 mg ·L-1時(shí)，除有殼變形蟲(P=0.026)外，兩個(gè)活性污泥系統(tǒng)中的微型動(dòng)物群落不同類群多度[單位體積(mL)泥水混合液中微型動(dòng)物個(gè)體總數(shù)]均不存在顯著性差異(P>0.05)，整個(gè)群落多度也不存在顯著性差異(P=0.904)，且所有微型動(dòng)物類群相對(duì)多度均不存在顯著性差異(P>0.05)，說明低濃度苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)沒有顯著性影響;當(dāng)進(jìn)水苯酚濃度增加至100 mg ·L-1時(shí)，苯酚對(duì)微型動(dòng)物群落中的固著型纖毛蟲(P=0.041)、有殼變形蟲(P=0.000)、微型后生動(dòng)物(P=0.025)等類群以及整個(gè)微型動(dòng)物群落多度(P=0.018)均產(chǎn)生顯著性影響，其中裸變形蟲和鞭毛蟲的相對(duì)多度(物種個(gè)體數(shù)占所有物種總數(shù)的百分比)與對(duì)照系統(tǒng)相比存在顯著性差異(P < 0.05)，說明當(dāng)進(jìn)水濃度為100 mg ·L-1時(shí)，苯酚會(huì)對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響;進(jìn)一步增大進(jìn)水苯酚濃度至300 mg ·L-1，與對(duì)照系統(tǒng)相比，試驗(yàn)活性污泥系統(tǒng)中的匍匐型纖毛蟲(P=0.04)、肉食性纖毛蟲(P=0.022)、鞭毛蟲(P=0.004)也存在顯著性差異(P < 0.05)，且整個(gè)微型動(dòng)物群落多度差異進(jìn)一步增大(P=0.014)，說明高濃度苯酚長期作用下對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落不同類群產(chǎn)生不同影響：一方面，高濃度苯酚對(duì)微型動(dòng)物群落中的多數(shù)類群的生長繁殖存在明顯的抑制作用，如匍匐型纖毛蟲、肉食性纖毛蟲、有殼變形蟲、裸變形蟲等.另一方面，高濃度苯酚對(duì)微型動(dòng)物群落中的某些類群的生長繁殖也存在明顯的促進(jìn)作用，如鞭毛蟲.試驗(yàn)系統(tǒng)鞭毛蟲多度[(7 850±4 198)個(gè)·mL-1]顯著大于對(duì)照系統(tǒng)[(2 550±1 089)個(gè)·mL-1](表 2)，其相對(duì)多度達(dá)(70.72±20.77)%，成為優(yōu)勢類群.可能的原因是：①在較高濃度苯酚長期作用下，苯酚在活性污泥中累積(水中實(shí)際濃度達(dá)80～100 mg ·L-1)，細(xì)菌活力受到抑制，其凝聚能力降低，污泥絮體粒徑變小[16]，不利于爬行或附著于污泥絮體表面捕食細(xì)菌的匍匐型和固著型纖毛蟲[37]生長繁殖，而有利于游離于絮體表面活動(dòng)的鞭毛蟲存活，從而使其在微環(huán)境食物鏈中對(duì)細(xì)菌的捕食更有競爭力而快速繁殖;②相對(duì)于體型較大的纖毛蟲原生動(dòng)物，鞭毛蟲[尤其是異養(yǎng)型鞭毛蟲(HNAN)]對(duì)游離細(xì)菌的捕食效率更高[38]，因而生長繁殖旺盛.此外，高濃度苯酚對(duì)微型后生動(dòng)物中線蟲的生長繁殖也有促進(jìn)作用.更重要的是，與對(duì)照系統(tǒng)相比，試驗(yàn)系統(tǒng)中的匍匐型纖毛蟲(P=0.038)、肉食性纖毛蟲(P=0.016)、有殼變形蟲(P=0.040)、鞭毛蟲(P=0.001)的相對(duì)多度均存在顯著性差異(表 2)，說明高濃度苯酚的進(jìn)入會(huì)對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為顯著的影響.

　　有研究者認(rèn)為不同種類在群落中的數(shù)量分布曲線是表現(xiàn)群落結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)[21]，故在此基礎(chǔ)上獲得的Shannon-Wiener指數(shù)H′可以反映群落結(jié)構(gòu)差異.為了進(jìn)一步揭示苯酚濃度大小對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響程度，對(duì)不同濃度條件下微型動(dòng)物群落物種多樣性指數(shù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如圖 4所示.從中可知，選取的2個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為52.08%、 19.69%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)71.77%.低濃度苯酚持續(xù)負(fù)荷作用下的活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性及相應(yīng)對(duì)照系統(tǒng)與PC1和PC2均呈正相關(guān)，中等濃度苯酚持續(xù)負(fù)荷作用下的活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性與PC1和PC2均呈正相關(guān)，而其相應(yīng)對(duì)照系統(tǒng)中的微型動(dòng)物群落物種多樣性與PC2呈負(fù)相關(guān)，即兩者差異明顯，說明中等濃度苯酚進(jìn)水較之低濃度苯酚進(jìn)水對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)影響更大.進(jìn)一步分析，除對(duì)照系統(tǒng)高濃度苯酚持續(xù)負(fù)荷作用下的微型動(dòng)物群落物種多樣性指數(shù)與PC1呈負(fù)相關(guān)外，其余條件下的微型動(dòng)物群落物種多樣性均與PC1呈正相關(guān)，說明高濃度苯酚長期作用下，活性污泥系統(tǒng)中的微型動(dòng)物群落物種多樣性發(fā)生了更為明顯的變化，即群落結(jié)構(gòu)受到了明顯影響.樣方之間距離大小反映了方間特征量的相似程度，且距離越近相似程度越高[39].從樣方距離來看，低濃度苯酚和中等濃度苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性的影響相接近，而高濃度苯酚作用下的微型動(dòng)物群落與對(duì)照系統(tǒng)相比距離最大，說明高濃度苯酚對(duì)微型動(dòng)物群落物種多樣性影響最大，即高濃度苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)影響最大，這與前文分析結(jié)果相一致.

　　圖 4 不同濃度苯酚影響下活性污泥系統(tǒng)中微型動(dòng)物群落物種多樣性主成分分析(PCA)

　　2.2.3 苯酚影響下活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化

　　活性污泥系統(tǒng)中不同類群微型動(dòng)物相對(duì)多度隨運(yùn)行時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化如圖 5所示.兩個(gè)系統(tǒng)中不同類群的微型動(dòng)物其相對(duì)多度隨運(yùn)行時(shí)間均有較大變化，這與城市廢水活性污泥處理系統(tǒng)相一致[37, 40].但不同濃度的苯酚影響下，微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化有所不同.具體地，在第1階段低濃度苯酚進(jìn)水條件下，除有殼變形蟲外，苯酚對(duì)微型動(dòng)物群落不同類群相對(duì)多度隨時(shí)間變化的影響不明顯，兩個(gè)系統(tǒng)中鞭毛蟲多度均占據(jù)了長時(shí)間的絕對(duì)優(yōu)勢，其相對(duì)多度分別達(dá)(64.84±27.56)%、 (75.05±28.18)%，兩者無顯著性差異(P=0.342)，其他類群相對(duì)多度較小，且各類群的微型動(dòng)物相對(duì)多度隨時(shí)間變化趨勢線上的拐點(diǎn)所在時(shí)間軸的位置相對(duì)差異較小(圖 5);試驗(yàn)第2階段，兩個(gè)系統(tǒng)中各微型動(dòng)物類群分布相對(duì)第1階段較均勻，在這一階段有殼變形蟲成為優(yōu)勢類群，但試驗(yàn)系統(tǒng)中有殼變形蟲前期(32～45d)受到了抑制，對(duì)照系統(tǒng)和試驗(yàn)系統(tǒng)中有殼變形蟲相對(duì)多度分別為(34.31±7.66)%、 (25.66±18.18)%，后者波動(dòng)也較大.在這一階段，苯酚對(duì)固著型纖毛蟲也產(chǎn)生了明顯的抑制，其相對(duì)多度處于較低水平[(9.58±9.61)%]，而鞭毛蟲相對(duì)多度[(33.76±13.80)%]顯著大于后者[(20.53±9.81)%](P=0.005);試驗(yàn)第3階段，對(duì)照系統(tǒng)中微型動(dòng)物群落各類群分布較均勻，而試驗(yàn)系統(tǒng)中鞭毛蟲占絕對(duì)優(yōu)勢，試驗(yàn)結(jié)束前其相對(duì)多度達(dá)最大值的91.13%.此外，與對(duì)照系統(tǒng)相比，試驗(yàn)系統(tǒng)中的匍匐型纖毛蟲和肉食性纖毛蟲受到了明顯的抑制，前者運(yùn)行70 d幾乎消失，而后者相對(duì)多度一直處于極低水平[(1.01±1.05)%].

　　(a)對(duì)照系統(tǒng)，(b)試驗(yàn)系統(tǒng) 圖 5 兩個(gè)活性污泥系統(tǒng)中微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化

　　2.3 苯酚影響下的污泥活性與微型動(dòng)物間的相互關(guān)系探討

　　如前文所述，污泥TTC-ETS活性比INT-ETS活性更加敏感，更適合作為苯酚對(duì)好氧污泥活性毒害作用的響應(yīng)指標(biāo)，故選擇TTC-ETS活性作為苯酚影響下污泥活性的表征指標(biāo).不同進(jìn)水濃度苯酚作用下污泥TTC-ETS活性的變化規(guī)律[圖 1(a)]與活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化(圖 5)對(duì)比分析可知，污泥TTC-ETS活性與微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相互之間存在著一定的關(guān)聯(lián)，如低濃度苯酚對(duì)污泥TTC-ETS活性及微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響均不明顯;當(dāng)進(jìn)水濃度達(dá)100 mg ·L-1時(shí)，苯酚對(duì)污泥TTC-ETS活性及微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響;進(jìn)一步增大進(jìn)水濃度時(shí)，這種影響顯著增大.活性污泥是活性污泥處理系統(tǒng)中的主體，而活性污泥微生物是活性污泥污染物降解核心，因此活性污泥微生物ETS活性對(duì)活性污泥處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要意義[41]，而在活性污泥微環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中微型動(dòng)物作為食物鏈頂端的捕食者，在維持活性污泥微環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用，因此，活性污泥活性與微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)之間也必然存在聯(lián)系.活性污泥微型動(dòng)物與污泥活性Pearson相關(guān)性分析結(jié)果如表 3所示.

表 3 活性污泥微型動(dòng)物與污泥活性Pearson相關(guān)性

　　水中毒害物質(zhì)的存在使微型動(dòng)物群落與所處的微生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系復(fù)雜化[42]，兩個(gè)活性污泥系統(tǒng)中的微型動(dòng)物同一個(gè)種與對(duì)應(yīng)污泥活性之間的相關(guān)性不同(表 3).為了使所篩選的指示生物對(duì)含酚廢水活性污泥處理工藝的操作運(yùn)行具有實(shí)際指導(dǎo)意義，選擇含苯酚進(jìn)水系統(tǒng)(即試驗(yàn)系統(tǒng))作為分析對(duì)象，以篩選出含酚廢水活性污泥法處理過程中對(duì)污泥TTC-ETS活性具有指示價(jià)值的微型動(dòng)物種.在試驗(yàn)過程觀察到的活性污泥微型動(dòng)物群落物種中與污泥活性顯著相關(guān)的種只有針棘匣殼蟲(Centropyxis aculeata，r=-0.628, P < 0.05)，說明針棘匣殼蟲的大量繁殖，預(yù)示著處理含酚廢水的污泥活性低.此外，其他微型動(dòng)物種如湖累枝蟲(Epistylis lacustris，r=0.371, P=0.173)、多變斜板蟲(Plagiocampa mutabilis，r=-0.403, P=0.137)、軟波豆蟲(Bodo lens，r=0.418, P=0.121)、跳側(cè)滴蟲(Pleuromonas jaculans， r=0.438, P=0.102)等與污泥活性也存在明顯的相關(guān)性(|r|為0.3～0.5)，也可作為含酚廢水處理過程中污泥活性的指示生物.

　　以前的研究都是通過篩選與廢水處理指標(biāo)緊密相關(guān)的微型動(dòng)物種作為活性污泥處理性能某些指標(biāo)的指示生物[9, 43～45]，而本研究說明某些微型動(dòng)物種與污泥ETS活性之間存在著明顯的相關(guān)性，即也可作為活性污泥廢水處理過程中ETS活性的指示生物.

　　3 結(jié)論

　　(1) 比較分析TTC-ETS活性及INT-ETS活性等兩個(gè)ETS活性指標(biāo)結(jié)果表明，污泥TTC-ETS活性能夠更有效表征苯酚對(duì)污泥活性的影響，且隨著進(jìn)水苯酚濃度的增大，苯酚對(duì)污泥活性的抑制越明顯，如50 mg ·L-1進(jìn)水條件下，苯酚對(duì)污泥活性的抑制率為(20.75±10.43)%，而300 mg ·L-1進(jìn)水運(yùn)行后期，其抑制率穩(wěn)定在40%左右.

　　(2) 苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響隨濃度的增大而增大，且對(duì)不同微型動(dòng)物類群影響不同.在50 mg ·L-1進(jìn)水條件下，苯酚只對(duì)有殼變形蟲存在明顯的抑制作用，而進(jìn)水濃度增大至100 mg ·L-1時(shí)，苯酚對(duì)固著型纖毛蟲、有殼變形蟲、微型后生動(dòng)物等類群以及整個(gè)微型動(dòng)物群落均產(chǎn)生顯著性影響.當(dāng)進(jìn)水濃度為300 mg ·L-1時(shí)，苯酚對(duì)匍匐型纖毛蟲、肉食性纖毛蟲的生長繁殖均有明顯的抑制作用，而對(duì)鞭毛蟲的生長卻存在明顯的促進(jìn)作用.

　　(3) 苯酚對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化有影響，且進(jìn)水濃度不同對(duì)微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)隨時(shí)間變化的影響程度不同.隨著苯酚濃度的增大，某些微型動(dòng)物會(huì)形成胞囊自我保護(hù)，這種自我保護(hù)的生存機(jī)制可能是影響微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的原因之一，但進(jìn)水苯酚濃度過高(>300 mg ·L-1)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致這種生存機(jī)制逐漸失效.

　　(4) 苯酚影響下的污泥活性與微型動(dòng)物之間存在某種程度的關(guān)聯(lián)，某些微型動(dòng)物種可作為污泥活性大小的指示生物，如針棘匣殼蟲(Centropyxis aculeata)的大量繁殖，預(yù)示著處理含酚廢水的污泥活性低;湖累枝蟲(Epistylis lacustris)多度與污泥活性呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(r=0.371, P=0.173)，可作為污泥活性高的指示生物等.(來源及作者：安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 胡小兵、饒強(qiáng)、唐素蘭、姜晶、謝瑞桃、郝文靜、鐘梅英)