外源甜菜堿投加提高高鹽廢水厭氧氨氧化脫氮機(jī)制

　　隨著工業(yè)發(fā)展含鹽廢水(>1%, NaCl, 質(zhì)量濃度)排放量越來越大, 含鹽廢水直接排放對環(huán)境造成嚴(yán)重污染及破壞, 如高鹽廢水滲透入土壤系統(tǒng)中, 會使土壤生物和植物因脫水死亡, 造成土壤生態(tài)系統(tǒng)的破壞.廢水的生物處理方法是一種常見的方法, 但高鹽的存在對常規(guī)生物處理有明顯的抑制作用, 鹽類物質(zhì)引起的廢水高滲透壓會降低微生物活性, 抑制微生物的代謝作用, 使酶代謝活性減弱, 以至降低反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù), 最終使廢水中氮素去除效率下降; 嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致細(xì)胞脫水, 最后發(fā)生質(zhì)壁分離, 甚至死亡.而厭氧氨氧化(ANAMMOX)作為一種以NH4+為電子供體, NO2-為電子受體, N2與NO3-為產(chǎn)物的生物脫氮工藝, 研究證明厭氧氨氧化菌對高鹽污水有良好的去除效果, 有研究發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化是海洋氮循環(huán)中生物脫氮的主要貢獻(xiàn)者, 其對海洋生物脫氮的貢獻(xiàn)率約在4%~79%, 海洋型厭氧氨氧化菌的發(fā)現(xiàn)為其處理高鹽廢水提供了可行性. Vyrides等采取長期的鹽度馴化的方式使淡水厭氧氨氧化污泥產(chǎn)生耐鹽性, 最終可適應(yīng)高達(dá)30 g·L-1的鹽度環(huán)境. Dapena-Mora等將淡水厭氧氨氧化污泥經(jīng)過馴化后, 可以在30‰海水鹽度下取得較好的脫氮性能, 最大比厭氧氨氧化活性(SAA)出現(xiàn)在鹽度為15 g·L-1時(shí)。

　　厭氧氨氧化菌的馴化和篩選為高鹽廢水的厭氧氨氧化處理提供了可能性, 但也存在有不足之處. Kartal等通過提高配水中NaCl濃度對淡水厭氧氨氧化污泥進(jìn)行長期馴化, 發(fā)現(xiàn)淡水厭氧氨氧化污泥最終在高達(dá)75g·L-1的NaCl濃度時(shí)達(dá)到閾值. Liu等對污泥進(jìn)行長期馴化后厭氧氨氧化污泥最終適應(yīng)30g·L-1的鹽濃度, 當(dāng)鹽度繼續(xù)升高后, 污泥受到可逆抑制.在鹽度馴化過程中鹽度變化幅度越大對反應(yīng)系統(tǒng)造成的負(fù)面影響越大, Yang等在馴化過程中將鹽度由14 g·L-1突然上升到20 g·L-1時(shí), ANAMMOX菌活性受到鹽度的完全抑制, Malovanyy等使用快速的鹽度馴化策略也導(dǎo)致了ANAMMOX菌的失活現(xiàn)象.工業(yè)廢水中的高鹽度和鹽度的巨大波動(dòng)成為厭氧氨氧化工程應(yīng)用的障礙, 應(yīng)從高鹽廢水厭氧氨氧化微生物脫氮強(qiáng)化措施等方面展開研究, 以期在高鹽脅迫下使厭氧氨氧化能取得良好的脫氮效能.相容性溶質(zhì)(compatible solutes)是耐鹽微生物在高滲透環(huán)境中細(xì)胞內(nèi)積累的小分子物質(zhì), 在細(xì)胞內(nèi)高濃度積累不會影響生物大分子如蛋白質(zhì)和核酸的正常生理功能, 但可以平衡細(xì)胞外的滲透壓, 也可以作為蛋白質(zhì)穩(wěn)定劑.甜菜堿是一種生物堿, 在維持細(xì)胞滲透壓和緩解鹽脅迫方面有明顯作用.甜菜堿的溶解度很高, 不帶靜電荷, 其高濃度對許多酶及其他生物大分子沒有影響, 甚至能解除高濃度鹽對酶活性的毒害.國內(nèi)外學(xué)者針對甜菜堿應(yīng)用于高鹽廢水處理領(lǐng)域的可行性和效果展開了研究, Yerkes等率先研究了甜菜堿在不同厭氧消化系統(tǒng)中對鈉毒性的拮抗作用, 結(jié)果表明濃度低至1mmol·L-1的甜菜堿對減緩鈉鹽毒性仍有效果. Vyrides等的研究認(rèn)為甜菜堿在高鹽條件下對保護(hù)產(chǎn)甲烷菌的功能是最有效的, 甜菜堿對高鹽廢水處理污泥的馴化有積極作用, 甜菜堿的添加策略對其效果有著較重要的影響。

　　在對外源添加甜菜堿提高微生物對滲透脅迫適應(yīng)性的研究中發(fā)現(xiàn), 甜菜堿能有效地緩解鹽度抑制作用, 而現(xiàn)在研究大都集中在高鹽度廢水厭氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中, 對ANAMMOX工藝的研究較少.因此本文將進(jìn)一步探索利用甜菜堿緩解鹽度對ANAMMOX活性抑制的可行性, 探討外源甜菜堿投加提高高鹽廢水厭氧氨氧化脫氮的機(jī)制, 以期為之后相關(guān)研究提供基礎(chǔ), 拓展ANAMMOX工藝處理高鹽廢水的應(yīng)用范圍。

　　1 材料與方法1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

　　試驗(yàn)采用ASBR厭氧氨氧化反應(yīng)器, 其結(jié)構(gòu)如圖 1所示.該反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制作而成, 有效體積7 L.人工配制的廢水從反應(yīng)器下部的進(jìn)水口由恒流泵進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi), 內(nèi)置電動(dòng)攪拌器, 整個(gè)反應(yīng)器表面用黑布包裹, 防止光線對厭氧氨氧化活性污泥造成負(fù)面影響, 反應(yīng)器的外層有恒溫水浴, 溫度控制在(35±2)℃。

　　試驗(yàn)所選污泥已經(jīng)本課題組將海水長期馴化, 已適應(yīng)海水的復(fù)雜組成成分, 能在全海水條件下穩(wěn)定運(yùn)行, 反應(yīng)器內(nèi)有約占反應(yīng)器有效體積1/3的塊狀海綿載體, 活性污泥顆粒及絮體附著在塊狀海綿上生長, 塊狀海綿呈現(xiàn)黃色, 內(nèi)部有大量磚紅色顆粒污泥.該污泥形態(tài)基本為顆粒狀, 呈現(xiàn)磚紅色。

　　1.2 試驗(yàn)廢水

　　試驗(yàn)所用廢水由人工配置：海水(5 L)取自黃海(青島麥島周邊)、KH2PO4 0.145 g、CaCl2·2H2O 0.75 g、MgSO4.7H2O 0.3 g、NaHCO3 8.4 g、微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ各6 mL.微量元素Ⅰ：EDTA 5 g·L-1、FeSO4·7H2O 5 g·L-1; 微量元素Ⅱ：EDTA 15 g·L-1、H3BO4 0.011 g·L-1、MnCl2·4H2O 0.99 g·L-1、CuSO4·5H2O 0.25 g·L-1、ZnSO4·7H2O 0.43 g·L-1、NiCl2·6H2O 0.19 g·L-1、CoCl2·6H2O 0.24 g·L-1、(NH4)6MoO2·4H2O 0.16 g·L-1、NaSeO4·10H2O 0.159 6 g·L-1. NH4+由NH4Cl提供, NO2-由NaNO2提供, 確保進(jìn)水氨氮為110 mg·L-1、亞硝態(tài)氮濃度為145.2 mg·L-1, 甜菜堿按需配置。

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　本試驗(yàn)采用ASBR工藝進(jìn)行, 每天運(yùn)行2個(gè)周期, 運(yùn)行方式為; ,靜置沉淀30 min后排水, 排水5 L, 留2 L; 廢水的配制完成后利用高純氮?dú)膺M(jìn)行15 min的曝氣, 將水中的分子氧去除后, 再按量投加NH4Cl、NaNO2和甜菜堿, 進(jìn)水pH通過0.1 mol·L-1的鹽酸控制在7.4±0.1;最后由恒流泵進(jìn)水, 進(jìn)水約為3 min; 進(jìn)水完成后開啟攪拌, 攪5 min后接進(jìn)水水樣。

　　參考已有的研究成果, 且防止過量添加引起反應(yīng)器內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)尤其是反硝化細(xì)菌的崛起, 將甜菜堿添加初始量設(shè)定為0.1 mmol·L-1, 添加甜菜堿濃度分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7 mmol·L-1.每個(gè)梯度試驗(yàn)5 d, 甜菜堿過量會使系統(tǒng)中產(chǎn)生反硝化細(xì)菌, 進(jìn)而對反應(yīng)產(chǎn)生抑制, 因此在反應(yīng)器產(chǎn)生抑制時(shí)應(yīng)及時(shí)停止試驗(yàn), 從產(chǎn)生抑制的甜菜堿濃度開始再緩慢降低甜菜堿的濃度, 考察甜菜堿濃度的回落能否使厭氧氨氧化反應(yīng)效能得到恢復(fù)。

　　1.4 分析方法

　　指標(biāo)測定方法為：NH4+-N采用納氏分光光度法; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N采用麝香草酚分光光度法; pH值：WTW pH/0xi 340i便攜式pH計(jì); 紫外/可見分光光度計(jì)：UV-5200;試驗(yàn)所要測的數(shù)據(jù)包括氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率, 硝態(tài)氮的生成量。

　　2 結(jié)果與分析2.1 投加甜菜堿對厭氧氨氧化脫氮效能的影響

　　由圖 2可知, 在10周期左右時(shí)間內(nèi)反應(yīng)器的處理效能趨于穩(wěn)定, 在不添加甜菜堿的情況下, NH4+-N和NO2--N的平均去除率分別為51.6%和55.9%, NO3--N平均生成量10.3 mg·L-1, NLR和NRR分別為1.43 kg·(m3·d)-1和0.71 kg·(m3·d)-1.當(dāng)在反應(yīng)器中加入0.1 mmol·L-1甜菜堿后, 甜菜堿的加入打破了原有反應(yīng)器中的平衡, 在剛開始的5個(gè)周期內(nèi), 出水NH4+-N濃度略有些上升, 但反應(yīng)器快速的適應(yīng)了甜菜堿的存在, 在0.1 mmol·L-1濃度梯度末期, NH4+-N去除率為52.9%, NO2--N的去除率則為52.7%, 與0 mmol·L-1時(shí)相比, NH4+-N去除率有所上升, 而NO2--N的去除率有所下降, 說明0.1 mmol·L-1甜菜堿未對厭氧氨氧化脫氮產(chǎn)生明顯促進(jìn)效果, 這可能由于甜菜堿濃度過低未對厭氧氨氧化活性產(chǎn)生刺激.當(dāng)甜菜堿濃度為0.2 mmol·L-1時(shí), 甜菜堿對厭氧氨氧化脫氮效能產(chǎn)生明顯促進(jìn)作用, 在這一濃度梯度周期內(nèi)脫氮效能不斷提升, NH4+-N和NO2--N的去除率由周期前的61.9%和46.6%至周期末分別上升至70.4%和65.7%, 而NRR更由0.71 kg·(m3·d)-1上升至0.92 kg·(m3·d)-1, 這一現(xiàn)象在0.3 mmol·L-1濃度梯度時(shí)也有所體現(xiàn), 這是由于甜菜堿會在厭氧氨氧化菌內(nèi)產(chǎn)生積累, 說明甜菜堿對厭氧氨氧化的促進(jìn)有持續(xù)性效果.在0.3 mmol·L-1濃度下, NH4+-N去除效能達(dá)到最佳, 這時(shí)NH4+-N和NO2--N的去除率分別為71.3%和75.7%, NO3--N的平均生成量為8.6 mg·L-1, NRR達(dá)到0.97 kg·(m3·d)-1, 與0 mmol·L-1時(shí)相比, NH4+-N和NO2--N分別提升了16%和32%, NRR提升了26.8%。

　　從0.4 mmol·L-1開始, 甜菜堿濃度的提升不再促進(jìn)NH4+-N的去除效果, 但NO2--N的去除率還能不斷提升, NH4+-N的平均去除率為67%, NO2--N的平均去除率則達(dá)到82.1%, NO3--N平均生成量為5.6 mg·L-1, NRR則達(dá)到1.04 kg·(m3·d)-1, 與0.3 mmol·L-1相比NH4+-N和NO3--N略有些下降而NO2--N卻有些上升.甜菜堿作為一種小分子相容性有機(jī)物可作為有機(jī)碳源促進(jìn)反硝化菌的生長, 甜菜堿的存在使得反應(yīng)器中處于厭氧氨氧化與反硝化耦合的狀態(tài), 當(dāng)甜菜堿濃度達(dá)到0.4 mmol·L-1時(shí), 已不再促進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng), 反而促進(jìn)了反硝化反應(yīng), 這時(shí)反應(yīng)器中反硝化菌占有優(yōu)勢.在0.5 mmol·L-1的濃度下, NH4+-N和NO2--N的平均去除率分別為61.4%和79.2%, NRR為1.01 kg·(m3·d)-1, 與前一濃度相比NH4+-N、NO2--N去除率和NRR都產(chǎn)生下降, 且波動(dòng)幅度比較大, 由此看出, 甜菜堿在濃度為0.5 mmol·L-1下對厭氧氨氧化菌和反硝化菌都產(chǎn)生抑制.為研究甜菜堿對厭氧氨氧化完全產(chǎn)生抑制時(shí)的濃度, 進(jìn)一步提高甜菜堿濃度, 在0.7 mmol·L-1時(shí), NH4+-N和NO2--N平均去除率分別為47%和72.5%, NO3--N幾乎沒有生成, NO2--N在周期內(nèi)變化不大, 但NH4+-N在這一周期內(nèi)由周期前的70.8%降低到了35.6%, 對厭氧氨氧化產(chǎn)生明顯抑制.一開始甜菜堿在菌內(nèi)的積累量并未對反應(yīng)產(chǎn)生明顯抑制, 但隨著厭氧氨氧化菌吸收的甜菜堿越來越多, 推測菌體內(nèi)積累的甜菜堿量超過厭氧氨氧化菌的耐受極限, 進(jìn)而使得NH4+-N去除率下降, 而反應(yīng)器中反硝化菌耐受甜菜堿的極限要比厭氧氨氧化菌要高, 因此NO2--N的去除率并未有明顯下降.在甜菜堿濃度達(dá)到0.8 mmol·L-1時(shí), NH4+-N去除率進(jìn)一步下降, 只有20.1%, 且NO2--N也有下降, 為58.6%, 厭氧氨氧化菌與反硝化菌同時(shí)產(chǎn)生抑制, 為了防止過高甜菜堿濃度進(jìn)一步惡化反應(yīng)器脫氮效能, 立即停止了試驗(yàn).綜上所述, 甜菜堿濃度達(dá)到0.8 mmol·L-1時(shí)為極限值。

　　在厭氧氨氧化過程中, ASBR厭氧氨氧化反應(yīng)器基本遵循厭氧氨氧化反應(yīng)原理, 其計(jì)量比與理論值1:1.32:0.26相接近.而在本試驗(yàn)中, 由圖 2(c)可知, 隨著甜菜堿濃度的提升, NO2--N/NH4+-N比值變化幅度較大, 在0 mmol·L-1時(shí), NO2--N/NH4+-N平均比值為1.06, 而NO3--N/NH4+-N平均比值為0.17.在0.1 mmol·L-1時(shí), NO2--N/NH4+-N平均比值為1.28, 而NO3--N/NH4+-N平均比值為0.16, 在這一濃度梯度內(nèi), NO2--N去除量顯著增加使得NO2--N/NH4+-N比值上升.此后在0.2 mmol·L-1和0.3 mmol·L-1梯度內(nèi), NO2--N/NH4+-N比值在1.32上下波動(dòng), 且在0.4 mmol·L-1時(shí), NO2--N/NH4+-N比值高于理論值1.32, 甜菜堿對NO2--N的促進(jìn)效果更好, 使得NH4+-N和NO2-N比值偏高.此后在0.5 mmol·L-1和0.7 mmol·L-1時(shí), NO2--N/NH4+-N比值波動(dòng)更大, 使得NO2--N和NH4+-N去除效率無法保持穩(wěn)定, 在試驗(yàn)最后, NO2--N/NH4+-N比值已嚴(yán)重偏離理論值, 甜菜堿濃度已對厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生不利影響.而NO3--N/NH4+-N比值在未添加甜菜堿前已偏離理論值, 期間雖有些上升, 但總體呈下降趨勢, 在高鹽濃度下, 添加過量的甜菜堿會引起反應(yīng)器內(nèi)茵群結(jié)構(gòu)尤其是反硝化細(xì)菌的崛起, 甜菜堿作為小分子有機(jī)物可作為反硝化菌的碳源, 促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)反硝化菌的生長, 使得NO3--N生成量不斷降低, 在試驗(yàn)?zāi)┢趲缀鯖]有生成.由于反應(yīng)器中厭氧氨氧化與反硝化的同時(shí)存在, 試驗(yàn)過程中NO3--N/NH4+-N比值一直低于理論值。

　　綜上所述, 外源甜菜堿對厭氧氨氧化脫氮效能有明顯的促進(jìn)作用, 隨著甜菜堿濃度的升高, 甜菜堿濃度在0.1~0.4 mmol·L-1范圍內(nèi), 出水NH4+-N和NO2--N濃度隨之下降, 去除率顯著上升, 同時(shí)促進(jìn)了反硝化菌的生長.接著隨著甜菜堿濃度的提升, 在0.4~0.5 mmol·L-1濃度內(nèi), 出水NH4+-N濃度不再降低而有些上升, 而出水NO2--N濃度則繼續(xù)下降.在甜菜堿濃度大于0.5 mmol·L-1后, 出水NO2--N濃度也不再下降開始緩慢上升, 最終在0.8 mmol·L-1時(shí), 出水NH4+-N和NO2--N濃度高于未添加甜菜堿時(shí), 此時(shí)甜菜堿已對反應(yīng)器脫氮效能產(chǎn)生不利影響�！　�2.2 周期內(nèi)甜菜堿濃度變化對厭氧氨氧化脫氮性能的影響

　　選取8個(gè)甜菜堿濃度梯度, 考察了一個(gè)周期內(nèi)NH4+-N、NO2--N和NO3-N的濃度變化.由圖 3可知, 隨著甜菜堿濃度的提升, 出水NH4+-N和NO2--N的濃度逐漸降低, 基質(zhì)濃度(NH4+-N和NO2--N濃度之和)下降趨勢明顯, 基質(zhì)去除速率也隨之升高, 在0.1 mmol·L-1濃度下, 反應(yīng)器脫氮效能幾乎不受甜菜堿影響, 基質(zhì)反應(yīng)速率前1 h內(nèi)低于未添加甜菜堿時(shí), 但隨后開始波動(dòng)且總體要高于未添加甜菜堿時(shí), 說明甜菜堿在反應(yīng)器中會有一段適應(yīng)過程; 而在0.2 mmol·L-1時(shí), 出水NH4+-N和NO2--N濃度已有些降低, 甜菜堿對反應(yīng)器脫氮效能產(chǎn)生影響, 且此時(shí)出水NO3--N達(dá)到最大值為21.19 mg·L-1, 基質(zhì)去除速率總體高于前一梯度, 說明在此濃度前甜菜堿主要促進(jìn)的是反應(yīng)器中的厭氧氨氧化反應(yīng); 在0.3 mmol·L-1時(shí)去除效果達(dá)到最佳, 4 h內(nèi)出水NH4+-N和NO2--N濃度為21.75 mg·L-1和17.21 mg·L-1, 而出水NO3--N濃度20.37 mg·L-1, 基質(zhì)去除速率總體要高于前幾個(gè)濃度梯度, 但卻低于0.4 mmol·L-1和0.5 mmol·L-1, 這可能是甜菜堿進(jìn)一步促進(jìn)了反硝化作用.雖然在0.4和0.5 mmol·L-1時(shí)對反硝化反應(yīng)還有促進(jìn)作用, 0.5 mmol·L-1時(shí)出水NO2--N更達(dá)到了最低值為11.78 mg·L-1, 但在這兩個(gè)梯度下出水NH4+-N和NO3--N都有些下降, 0.5 mmol·L-1時(shí)出水NH4+-N為33.04 mg·L-1, 出水NO3--N為12.84 mg·L-1, 此時(shí)反應(yīng)器中厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生抑制.此后在0.7 mmol·L-1時(shí)反硝化也產(chǎn)生抑制, 出水NO2--N隨之降低為41.99 mg·L-1, 出水NH4+-N為57.31 mg·L-1, 出水NO3--N為5.86 mg·L-1, 基質(zhì)去除速率也有些下降, 但仍表現(xiàn)為較強(qiáng)的去除效果.最終在0.8 mmol·L-1時(shí)基質(zhì)去除速率已低于0 mmol·L-1時(shí)的基質(zhì)去除速率, 出水NH4+-N為65.22 mg·L-1, 出水NO2--N為54.92 mg·L-1, 出水NO3--N為5.31 mg·L-1, 也低于未添加甜菜堿時(shí)的去除效能, 此時(shí)甜菜堿濃度對反應(yīng)器產(chǎn)生完全抑制。

　　2.3 甜菜堿濃度降低對厭氧氨氧化脫氮性能的影響

　　從產(chǎn)生抑制的甜菜堿濃度0.8 mmol·L-1開始, 降低甜菜堿的濃度, 考察甜菜堿濃度的回落能否使厭氧氨氧化反應(yīng)效能得到恢復(fù).由于甜菜堿濃度為0.8 mmol·L-1時(shí)對反應(yīng)抑制較大, 為了防止甜菜堿在厭氧氨氧化菌內(nèi)產(chǎn)生積累, 進(jìn)一步惡化厭氧氨氧化菌活性, 將高濃度時(shí)的運(yùn)行周期數(shù)縮短至5次.由圖 4可知, 在濃度為0.8、0.7和0.5 mmol·L-1時(shí), 出水NH4+-N濃度波動(dòng)很大, 但總體呈下降趨勢, 出水NO2--N濃度則呈上升趨勢, NO2--N/NH4+-N和NO3--N/NH4+-N嚴(yán)重偏離理論值, NRR由周期開始前的0.52 kg·(m3·d)-1降低到0.42 kg·(m3·d)-1.這是由于厭氧氨氧化菌的活性還未得到恢復(fù), 且吸收了廢水中新添加的甜菜堿而進(jìn)一步使厭氧氨氧化菌活性惡化.但從0.3 mmol·L-1時(shí)開始, NH4+-N和NO2--N去除率開始上升, NO3--N生成量也有所升高, NO2--N/NH4+-N接近1.32.延長運(yùn)行周期數(shù), 可以看到出水NH4+-N和NO2--N濃度明顯下降, NH4+-N去除率由22.8%上升至49.6%, NO2--N去除率由36.5%上升至46.6%, NRR由0.39 kg·(m3·d)-1上升至0.62 kg·(m3·d)-1.在0.2 mmol·L-1和0.1 mmol·L-1時(shí), 出水NH4+-N和NO2--N濃度變化不大, 厭氧氨氧化菌活性基本恢復(fù), 此時(shí)NH4+-N平均去除率為50.6%, NO2--N平均去除率為63.7%, NRR為0.65 kg·(m3·d)-1, 已恢復(fù)到試驗(yàn)前的脫氮效能.這說明甜菜堿對厭氧氨氧化反應(yīng)的抑制作用是短期效果, 甜菜堿濃度的回落能使厭氧氨氧化反應(yīng)效能得到恢復(fù)。

　　3 討論

　　鹽脅迫下, 微生物將吸收大量鹽離子貯存于細(xì)胞體內(nèi)從而降低了細(xì)胞質(zhì)中的鹽濃度, 而甜菜堿含量在一定范圍內(nèi)也會隨鹽脅迫程度的增加而增加, 在細(xì)胞中逐漸積累達(dá)到很高水平, 從而調(diào)節(jié)滲透壓, 維持細(xì)胞的水分平衡.微生物細(xì)胞內(nèi)積累相容溶質(zhì), 使外部高滲透壓在細(xì)胞質(zhì)中保持平衡, 通常中度嗜鹽菌耐鹽機(jī)制屬于這種策略, 當(dāng)環(huán)境中的滲透壓升高時(shí)中度嗜鹽菌體內(nèi)無機(jī)鹽離子濃度也會相應(yīng)升高, 但是其作用有限, 不足以抗衡外界高的滲透壓, 此時(shí)大多數(shù)中度嗜鹽菌會通過自身合成甜菜堿及其它相容性有機(jī)物來應(yīng)對鹽脅迫作用。吳紅珍等的研究結(jié)果顯示嗜鹽四聯(lián)球菌以甘氨酸甜菜堿作為主要的相容性溶質(zhì), 在一定鹽濃度范圍內(nèi), 甘氨酸甜菜堿和可溶性蛋白會隨鹽濃度的增加而升高, 然而超過一定鹽濃度范圍后, 表達(dá)量將會減少, 細(xì)菌能夠根據(jù)外部環(huán)境做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以維持細(xì)胞的正常生理功能。

　　中度嗜鹽菌可通過快速合成和釋放甜菜堿來抵抗鹽脅迫, 甜菜堿作為中度嗜鹽菌中一類很重要的相容性溶質(zhì), 通常大多數(shù)中度嗜鹽菌都以膽堿為前體物質(zhì), 經(jīng)過兩步氧化反應(yīng)生成甘甜菜堿, 這兩步氧化反應(yīng)需要兩個(gè)酶的催化：第一個(gè)是膽堿單加氧酶, 它催化膽堿氧化成甜菜堿醛; 第二個(gè)是甜菜堿醛脫氫酶, 它催化甜菜堿醛形成甜菜堿。但是還沒有報(bào)道提及中度嗜鹽菌能從簡單的碳源(如葡萄糖)合成甘氨酸, 中度嗜鹽菌中甘氨酸甜菜堿的合成方式都是采用酶促膽堿反應(yīng)或者直接從環(huán)境中攝入在體內(nèi)進(jìn)行積累, 在適應(yīng)環(huán)境高滲透壓中, 嗜鹽菌可通過胞外吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相容物質(zhì)以抵抗胞外高滲透壓以節(jié)省從頭合成所需的能量, 其具有特殊的相溶性物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。因此有些科學(xué)家通過外源添加甘氨酸甜菜堿以提高細(xì)菌或植物的耐鹽能力。

　　采用ASBR厭氧氨氧化反應(yīng)器, 通過逐步提高所含海水比例, 經(jīng)過一定時(shí)間的馴化后, 厭氧氨氧化菌可以在各個(gè)海水比例下保持活性并維持較高的脫氮性能厭氧氨氧化菌。鹽脅迫對厭氧氨氧化菌的生長均有不同程度的抑制作用, 但沒有報(bào)道提及厭氧氨氧化菌可自身合成甜菜堿, 因此添加外源甜菜堿可作為一種緩解鹽脅迫作用的方法.李智行等利用人工配制的高鹽廢水研究了甜菜堿對厭氧氨氧化過程的影響, 結(jié)果認(rèn)為甜菜堿對厭氧氨氧化過程有促進(jìn)作用, 并能起到緩解低溫抑制作用的功能.本試驗(yàn)結(jié)果表明, 添加甜菜堿緩解了鹽脅迫對厭氧氨氧化菌生長的抑制, 在本試驗(yàn)開始時(shí)厭氧氨氧化效果較好, 在4 h內(nèi), 氨氮去除率51.6%, 亞硝態(tài)氮55.9%, NLR為1.43 kg·(m3·d)-1, NRR為0.71 kg·(m3·d)-1, 當(dāng)甜菜堿濃度為0.1~0.4 mmol·L-1時(shí), 均能有效增加鹽脅迫下厭氧氨氧化菌的脫氮效能.對于不能合成相容性物質(zhì)的微生物來說, 其吸收系統(tǒng)至關(guān)重要，因此, 在利用甜菜堿的厭氧氨氧化菌體內(nèi)應(yīng)存在一些與相溶性物質(zhì)高度親和的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng), 以便快速吸收和轉(zhuǎn)化甜菜堿.另外在這一濃度變化內(nèi)甜菜堿作為有機(jī)物也促進(jìn)了反應(yīng)器中反硝化菌的生長, 這是由于甜菜堿不但可以作為相容性溶質(zhì), 還能作為碳源和能源物質(zhì).甜菜堿濃度為0.4~0.5 mmol·L-1時(shí), NH4+-N去除率下降, 而NO2--N去除率還有上升, 此時(shí)甜菜堿濃度對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制但還是促進(jìn)反硝化菌的生長.在這一階段的濃度內(nèi), 甜菜堿緩解微生物的耐鹽能力存在差異, 這可能是由于不同的微生物積累或轉(zhuǎn)運(yùn)的相容性溶質(zhì)不同, 抗?jié)B能力也不同, 厭氧氨氧化菌體內(nèi)的甜菜堿已經(jīng)積累到極限, 甜菜堿作為滲透物質(zhì)不能進(jìn)一步發(fā)揮保持滲透壓平衡的作用, 僅僅作為碳源和能量來源來發(fā)揮作用.甜菜堿濃度大于0.5 mmol·L-1后, 添加甜菜堿已無法緩解鹽脅迫對反應(yīng)器脫氮效能的抑制, 且過量的甜菜堿會對反應(yīng)器產(chǎn)生不利影響, 使得反應(yīng)器脫氮效能持續(xù)降低, 這是因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行高鹽環(huán)境漸漸抑制分解甜菜堿代謝酶, 從而導(dǎo)致該物質(zhì)不能作為碳源和能源, 反硝化菌也受到抑制, 最終在甜菜堿濃度0.8 mmol·L-1時(shí)反應(yīng)器脫氮效能低于未添加甜菜堿時(shí)的脫氮效能, 已對反應(yīng)器產(chǎn)生完全抑制.而在最后的恢復(fù)試驗(yàn)中, 隨著甜菜堿濃度的降低反應(yīng)器脫氮效能得到快速恢復(fù), 當(dāng)下降至0.2 mmol·L-1時(shí)反應(yīng)器已基本穩(wěn)定運(yùn)行, 這說明甜菜堿對反應(yīng)器的損害是可恢復(fù)的。

　　4 結(jié)論

　　(1) 在穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧氨氧化處理高鹽廢水系統(tǒng)中, 投加甜菜堿對系統(tǒng)脫氮效能有明顯的改善作用, 甜菜堿濃度為0.1~0.4 mmol·L-1時(shí), 添加甜菜堿緩解了鹽脅迫對厭氧氨氧化菌生長的抑制; 甜菜堿濃度為0.4~0.5 mmol·L-1時(shí), 此時(shí)甜菜堿濃度對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制但還是促進(jìn)反硝化菌的生長, 還對反應(yīng)表現(xiàn)為促進(jìn)作用.甜菜堿濃度大于0.5 mmol·L-1后, 添加甜菜堿已無法緩解鹽脅迫對反應(yīng)器脫氮效能的抑制, 最終在甜菜堿濃度0.8 mmol·L-1時(shí)反應(yīng)器脫氮效能低于未添加甜菜堿時(shí)的脫氮效能, 已對反應(yīng)器產(chǎn)生完全抑制。

　　(2) 本試驗(yàn)條件下, 甜菜堿的添加濃度為0.3 mmol·L-1濃度時(shí), 反應(yīng)去除效能達(dá)到最佳, 這時(shí)NH4+-N和NO2--N的去除率分別為71.3%和75.7%, NO3--N的平均生成量為8.6 mg·L-1, NRR達(dá)到0.97 kg·(m3·d)-1, 與0 mmol·L-1時(shí)相比, NH4+-N和NO2--N分別提升了16%和32%, NRR提升了26.8%。

　　(3) 本試驗(yàn)條件下, 在最后的恢復(fù)試驗(yàn)中, 隨著甜菜堿濃度的降低反應(yīng)器脫氮效能得到快速恢復(fù), 經(jīng)過25周期的運(yùn)行, 在甜菜堿濃度降至0.2 mmol·L-1時(shí)反應(yīng)器脫氮效能得到恢復(fù), 這說明甜菜堿對反應(yīng)器的影響是可逆的。(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：于德爽)