Effects of exogenous N-acyl-homoserine lactones on nutrient removal, sludge properties and microbial community structures during activated sludge process

外源N -酰基高絲氨酸內(nèi)酯對(duì)活性污泥過程中養(yǎng)分去除、污泥特性及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

來源：Chemosphere 255 (2020) 126945

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

本研究通過向活性污泥系統(tǒng)添加兩種群體感應(yīng)信號(hào)分子（C6-HSL與C8-HSL），揭示了其對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)、代謝功能及污水處理效率的調(diào)控機(jī)制：

 

1.絮體結(jié)構(gòu)重塑：

 

信號(hào)分子使絮體平均尺寸增大23%（圖2a），分形維數(shù)降低（圖2b-d），表明絮體不規(guī)則性與孔隙率提升；

 

2.代謝功能增強(qiáng)：

 

EPS蛋白（PN）含量最高提升69.9%（C6-HSL組），多糖（PS）增加42.3%（圖3），促進(jìn)微生物聚集；

 

3.脫氮效率提升：

TN去除率提高12.8%（C6-HSL組），NH??-N去除率增加9.5%（正文3.1節(jié)）；

 

4.微環(huán)境異質(zhì)化：

Unisense微電極證實(shí)絮體內(nèi)部形成缺氧區(qū)（DO梯度變化達(dá)75.5%），驅(qū)動(dòng)反硝化過程（圖6）。

 

研究目的

 

1.解析QS調(diào)控機(jī)制：

探究外源AHL信號(hào)分子（C6-HSL/C8-HSL）對(duì)活性污泥絮體（ASFs）物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成的調(diào)控作用；

 

2.量化工藝性能提升：

評(píng)估信號(hào)分子對(duì)COD、氮素去除效率及污泥沉降性的影響；

 

3.揭示微生物響應(yīng)：

闡明信號(hào)分子驅(qū)動(dòng)的微生物群落結(jié)構(gòu)變化與功能基因表達(dá)關(guān)聯(lián)。

 

研究思路

 

1. 三組平行SBR反應(yīng)器設(shè)計(jì)

 

對(duì)照組（R1）：基礎(chǔ)活性污泥系統(tǒng)；

 

實(shí)驗(yàn)組（R2/R3）：分別添加2 μM C6-HSL（R2）與C8-HSL（R3）；

 

長(zhǎng)期運(yùn)行：30天穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)（HRT=9.5 h，DO=3.0 mg/L，SRT=14 d）。

 

2. 多尺度分析框架

 

宏觀性能：監(jiān)測(cè)COD、NH??-N、TN去除率（公式計(jì)算）；

 

絮體特性：

 

激光粒度儀測(cè)尺寸分布（圖2a）；

 

圖像分析法計(jì)算分形維數(shù)（圖2b-d）；

 

化學(xué)組成：

 

EPS分層提取（LB/TB-EPS）及PN/PS定量（圖3）；

 

3D-EEM熒光光譜與FTIR表征EPS化學(xué)結(jié)構(gòu)（圖4-5）；

 

 

微環(huán)境解析：

 

Unisense氧微電極測(cè)量絮體內(nèi)部DO梯度（圖6）；

 

微生物群落：

 

16S rDNA測(cè)序分析菌群結(jié)構(gòu)（圖7）及功能菌豐度（表2）。

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 絮體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（圖2）

 

數(shù)據(jù)：

 

R2組絮體粒徑＞200 μm占比增加37%（vs R1）；

 

分形維數(shù)D值：R1（1.72）＞ R2（1.58）＞ R3（1.63）。

 

意義：證實(shí)信號(hào)分子通過降低絮體規(guī)則性促進(jìn)微生物聚集，為生物膜形成提供物理基礎(chǔ)。

 

2. EPS組成數(shù)據(jù)（圖3-5）

 

數(shù)據(jù)：

 

C6-HSL使LB-EPS中PN增加69.9%（圖3）；

 

3D-EEM顯示R2組色氨酸類物質(zhì)熒光強(qiáng)度提升24%（Peak A，圖4）；

 

FTIR證實(shí)R2組LB-EPS新增1222 cm?1（S=O鍵）吸收峰（圖5a）。

 

意義：信號(hào)分子特異性調(diào)控EPS蛋白合成，增強(qiáng)絮體粘結(jié)能力。

 

3. 微生物群落數(shù)據(jù)（圖7，表2）

 

數(shù)據(jù)：

 

優(yōu)勢(shì)菌門：WS6（R1:34.8% → R2:22.3%）、變形菌門（R2:32.5%）；

 

功能菌富集：

 

反硝化菌（DNB）Paracoccus豐度提升125%（R2）；

 

EPS產(chǎn)生菌Brevundimonas增加162%（R2）。

 

意義：AHLs通過富集功能菌群協(xié)調(diào)脫氮與絮體形成。

 

4. 處理性能數(shù)據(jù)（正文3.1節(jié)）

 

數(shù)據(jù)：

 

R2組TN去除率達(dá)86.5%（較R1提高12.8%），COD去除率＞90%。

 

意義：驗(yàn)證QS調(diào)控可同步提升污染物去除效率與污泥沉降性。

 

丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

技術(shù)突破

 

 

微尺度溶解氧圖譜：

 

采用Clark型氧微電極（尖端10 μm）繪制絮體內(nèi)部DO梯度（圖6）：

 

200-300 μm絮體核心DO趨近0 mg/L（缺氧區(qū)）；

 

C6-HSL組氧傳質(zhì)阻力增幅達(dá)53%（vs 對(duì)照組）。

 

動(dòng)態(tài)過程解析：

 

實(shí)時(shí)捕捉絮體從好氧表面→缺氧核心的溶解氧衰減曲線（分辨率0.1 μmol/L）。

 

科學(xué)發(fā)現(xiàn)

 

1.缺氧微區(qū)驅(qū)動(dòng)反硝化：

 

大尺寸絮體（＞200 μm）內(nèi)部形成缺氧區(qū)（DO＜0.2 mg/L），為反硝化菌提供生態(tài)位（圖6）；

2.尺寸依賴效應(yīng)：

 

絮體尺寸與氧傳質(zhì)阻力呈正相關(guān)（R2=0.92），證實(shí)尺寸調(diào)控是優(yōu)化微環(huán)境的關(guān)鍵杠桿；

3.EPS屏障效應(yīng)：

 

EPS含量與DO梯度衰減率顯著正相關(guān)（R2=0.85），揭示EPS通過增加擴(kuò)散阻力強(qiáng)化缺氧微區(qū)。

 

工程意義

 

工藝優(yōu)化指導(dǎo)：

 

微電極數(shù)據(jù)證明控制絮體尺寸（200-300 μm）可最大化缺氧區(qū)比例，提升脫氮效率；

 

機(jī)制研究不可替代性：

 

傳統(tǒng)方法無法獲取絮體內(nèi)部微米級(jí)DO分布，Unisense電極是解析空間代謝分區(qū)的唯一工具。

 

結(jié)論

 

1.絮體結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

 

AHL信號(hào)分子通過促進(jìn)EPS分泌增大絮體尺寸、降低規(guī)則性，提升污泥沉降性；

2.功能菌群富集：

 

C6-HSL顯著增加Paracoccus（DNB）和Brevundimonas（EPS產(chǎn)生菌）豐度；

3.微環(huán)境分區(qū)：

 

大絮體內(nèi)部形成好氧-缺氧梯度，同步提升硝化與反硝化效率；

4.Unisense電極價(jià)值：

 

其高分辨率DO數(shù)據(jù)是揭示絮體內(nèi)部代謝分區(qū)機(jī)制的決定性證據(jù)，為優(yōu)化生物聚集體系提供新范式。

 

應(yīng)用方向：該策略可推廣至高氮廢水處理，通過投加信號(hào)分子或調(diào)控絮體尺寸強(qiáng)化脫氮效能。

 

圖示關(guān)聯(lián)：

 

圖2：絮體尺寸分布與分形維數(shù)

 

圖3：EPS蛋白/多糖含量

 

圖4：EPS 3D-EEM熒光光譜

 

圖5：EPS FTIR官能團(tuán)分析

 

圖6：絮體內(nèi)部DO梯度（Unisense數(shù)據(jù)）

 

圖7：微生物群落結(jié)構(gòu)

 

表2：功能菌群豐度與代謝功能