科研 | Water Research：微曝气对黑水厌氧消化池微生物生态位及耐药性的影响

编译：微科盟咖啡里的茶，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。
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导读在室温下，源分离黑水（厕所冲水）的厌氧消化（Anaerobicdigestion, AD）对颗粒物质的快速水解提出了挑战。本研究考察了不同微曝气量对黑水厌氧消化的影响。序批式反应器在室温（22±1℃）下运行，微曝气（每个循环0、5、10、50和150 mg O2g ?1CODfeed），水力停留时间从5天逐渐减少到2天。在低氧剂量（即0、5、10）下产甲烷效率更高，而在高氧剂量（即50、150）下挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）积累更多。不同氧浓度下微生物群落有显著差异（p < 0.05），且低氧浓度和高氧浓度下微生物的生态位分离。低氧剂量生态位（0、5和10 mg g ?1CODfeed发酵和共营养细菌（如噬细胞菌属（Cytophaga）、共养单胞菌属（Syntrophomonas））和产甲烷菌（如甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷绳菌属（Methanolinea）和甲烷丝菌属（Methanosaeta））定殖。高氧剂量生态位（50和150mg g ?1CODfeed）具有更多显著（p < 0.05）存在的兼性厌氧菌（伊格氏菌属（Ignavibacteriales）和阴沟杆菌属（Cloacamonales））和好氧菌（红环菌属（Rhodocyclales））。此外，黑水可能是抗菌素耐药性基因（antimicrobial resistance genes ， ARGs）的来源，且这些基因会受到不同氧气剂量的影响。同时ARG的变化与微生物群落组成相关（p< 0.05）。低氧剂量比高氧剂量的群落包含更高致病率的可移动基因元件（intI1和korB）和tetM ， ermB ， sul1 ， sul2和blaCTX-M ，这表明氧剂量影响携带ARG群体的患病率。这些发现表明，微曝气应用于AD可用于控制ARG的分布。论文ID
原名：Effects of micro-aeration on microbial niches and antimicrobial resistances in blackwater anaerobic digesters
译名：微曝气对黑水厌氧消化池微生物生态位及耐药性的影响
期刊：Water Research
IF：9.13发表时间：2021.3.10
通讯作者：Yang Liu
通讯作者单位：阿尔伯塔大学土木与环境工程系
实验设计

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图文摘要
结果和讨论
1 微曝气对反应器性能的影响反应器产甲烷效率、VFA浓度和有机物水解效率如图1所示。第1~ 4阶段，当投加5 mg g?1CODfeed时，水解效率由16.6~ 37.7% (厌氧) 提高到41.3 ~53.1% 。在高氧投加量 (150 mg g?1CODfeed) 的条件下，产酸率最低 (17.9 ~ 26.5%) ，这主要是由于氧对水解菌的抑制作用以及氧对下游产甲烷和产酸过程的反向反馈作用。厌氧和低氧投加反应器 (0、5和10mg g?1CODfeed) 的产甲烷效率分别为18.1~ 40.1%、20.0 ~ 50.9%和15.7~ 46.3% ，高于50和150mg g?1CODfeed反应器 (1.0 ~ 18.9%和4.0~ 25.6%) 。在所有水力停留时间（hydraulicretention time ， HRT）条件下，当最低氧投加量 (5 mg g?1CODfeed)、氧化还原电位 (oxidation-reduction potential ， ORP)为-180 mV时，产甲烷效率最高 (补充图S1) 。较高的氧投加量导致ORP(0、5、10、50和150mg g?1CODfeed分别为 -308、- 180、-142、-109和 -69 mV) 升高，影响产甲烷菌的生存和活性。其他研究报道 -265 mV和 -180 mV的ORP在消除硫化物毒性时也可促进甲烷的生成，并且高于基线ORP50 mV的间歇微曝气可抑制甲烷的产生。颗粒COD特意保留在反应器中，低氧投加反应器 (0、5和10mg g?1CODfeed) 的COD从进水到出水的降低率也类似 (补充图S2) 。当COD投加量为50mg g?1时，产甲烷效率最低，对应的COD去除率最低 (补充图S2) ，表明AD步骤 (水解、产酸、产乙酸和产甲烷) 之间的平衡受损。和10 mg g COD (分别为90-269、101-325和108-296 mg VFA L-1) 的反应器中VFA浓度低于更高剂量50和150 mg g?1COD feed (分别为339-396和203-304 mg VFA L-1) 的浓度。低氧组和高氧组之间总VFAs的差异从第1阶段到第4阶段增加。最高的VFA积累发生在氧输入为50mg g?1CODfeed的反应器中，对应于最低的甲烷生成效率。甲烷生成效率和VFA积累的差异表明微生物群落在低微曝气剂量(0、5和10 mg g?1CODfeed) 和高氧气剂量(50和150 mg g?1CODfeed)之间存在分离。当氧气用量超过5 mg g?1CODfeed时，开始抑制产甲烷，而产酸过程不受阻碍。当氧气剂量增加到150mg g?1CODfeed浓度低于50 mg g?1 COD feed 。此外，从沼气中较高的二氧化碳含量可知，高氧气用量可能导致VFAs的需氧消耗 (补充图S3) 。高水平的VFA积累是甲烷生成的另一个抑制因素。在150 mg g?1CODfeed中过量的氧气导致VFA氧化，并减轻VFA积累。因此，与50 mg g?1CODfeed相比，在150 mg g?1CODfeed条件下VFA积累减少，甲烷生成提高。