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DOI 10.1007/s00253-015-6981-7
环境生物技术
在具有中间丝状膨化阶段的实验室规模的序批式反应器中开发的好氧颗粒的微生物动力学和性质
H. Aqeel1＆M. Basuvaraj2＆M. Hall3＆JD Neufeld3＆SN Liss1,2
收到日期：2015年5月13日/修订日期：2015年8月24日/接受日期：2015年9月2日/在线发布日期：2015年9月22日
＃Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015
摘要:好氧颗粒提供增强的生物营养物质去除效果，结构紧凑且致密，从而有效地降低沉降性能。然而，颗粒不稳定性仍然是一个挑战，因为对不稳定驱动因素的理解了解甚少。在该研究中，在实验室规模的序批式反应器（SBR）中观察到与丝状生长物相关的好氧颗粒的瞬时不稳定性。瞬态阶段之后是形成稳定的颗粒。SBR操作后60天内松散结合，分散和极小的种子絮状物逐渐变成颗粒状絮状物。在阶段1中，颗粒状絮体结构紧凑，直径通常为0.2毫米，具有优异的沉降性能。在第二阶段，细丝出现并占据主导地位，从而导致沉降性能下降。到第三阶段，SBRs用于选择较大的颗粒和较好的沉降结构，其中包括在颗粒内陷入的细丝，最终形成直径2-5mm的结构。污泥体积指数的相应变化反映了沉降性的变化。与阶段2丝状膨胀（1.5）相比，来自阶段1和阶段3颗粒的提取的细胞外聚合物质（EPS）中的蛋白质与多糖的比例更高（分别为2.8和5.7）
* SN Liss
1皇后大学化学工程系，金斯顿，关于K7L 3N6，加拿大
2皇后大学环境研究学院，金斯顿，关于K7L 3N6，加拿大
3滑铁卢大学生物系，滑铁卢，关于N2L 3G1，加拿大
生物量样品的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像结合分子特异性荧光染色证实，蛋白质在1期和3期颗粒中占主导地位。 在阶段2膨胀期间，活细胞减少; 死细胞占主导地位。变性梯度凝胶电泳（DGGE）指纹结果表明颗粒化过程中细菌群落组成的变化，这通过16S rRNA基因测序证实。特别是，在阶段2膨胀期间，紫色杆菌（已知的脱氮酶和抗微生物色素的生产者）和原始生殖沙门氏菌（混合营养绿藻）占主导地位。壳多糖的几丁质分解活性很可能与Auxenochlorella有拮抗作用，并可能促成3期稳定的颗粒形成。已知支持完全反硝化的Rhodanobacter在阶段1和阶段3颗粒中占优势。 Rhodanobacter的相对丰度与EPS中的高蛋白质浓度一致，表明微生物聚集和颗粒形成中的作用。
关键词: 好氧颗粒.丝状生长.细胞外聚合物.16S rRNA基因 Auxenochlorella.Janthinobacterium.Chitinophaga.Rhodanobacter
介绍
与絮状物相比，好氧颗粒由于它们的大而紧
密的结构而具有优异的微生物聚集体。颗粒能
够增强生物营养物的去除和快速沉降性能（De
Bruin 等人。2004; De Kreuk等人2005; Adav
等人 2008a）。好氧颗粒的不稳定限制了颗粒
污泥在废水处理中的大规模应用（李等人2010; Li
等人2010）。颗粒
分解和丝状生长是有氧颗粒不稳定的两个主要原因。颗粒不稳定性导致沉降性能差，并且随后导致经处理的水与生物质分离不良。由于颗粒不稳定导致分离不良可导致生物质清除和系统故障（刘和泰 2004; 肖等人。2012）识别负责丝状生长的操作和营养条件导致了控制颗粒不稳定性的策略（刘和泰， 2006）。尽管如此，颗粒不稳定仍然是好氧颗粒技术的主要问题（李等人。2010;肖等人。2012)。真菌和细菌细丝促进更大颗粒的发展。在以真菌生物质为主的序批式反应器（SBR）中，菌丝体可形成网状物并沉降以留在反应器中。这种菌丝网可以固定细菌，促进细菌菌落的生长，并促成更大的结构。 反应器中的剪切力使好氧颗粒表面的真菌细丝分离，导致形成大的紧凑好氧颗粒（Beun等人。1999;威廉姆斯和德洛斯雷耶斯 2006）。细菌丝也可以促进更大的需氧颗粒形成（Zheng等人l。2006;威廉姆斯和德洛斯雷耶斯 2006)。
好氧颗粒对微生物聚集体中的细菌代谢物的保留有很大帮助（Bura等人。1998; Flemming等人2007）。微生物聚集是一种成功的策略，因为其他细菌可以使用其他细胞分泌的代谢物。细菌代谢物修饰微生物聚集体中的微环境（Flemming and Wingender 2010），这也可以促进毒性代谢物的分泌和滞留。因此，微生物聚集体可以增加竞争细胞的裂解，从而导致颗粒结构不稳定性（Adav等人。2010).
在这项研究中，我们整合了细菌群落的显微镜和分子分析以了解有氧颗粒的发育和丝状生长。 我们描述了细菌群落中的变化，因为它们与最初造粒期间的结构和物理化学性质，由于丝状生长引起的瞬时不稳定性以及在实验室规模的SBR中形成稳定的颗粒有关。 我们报告由Rhodanobacter为主的颗粒的发展，并探讨由于Auxenochlorella的出现和部分生物量冲刷导致的颗粒结构的瞬时不稳定性。 短暂阶段之后是形成较大的颗粒，并且可能对几丁质藻在控制微藻中起作用。
材料和方法
生物反应器的操作条件
表格描述了实验室规模的SBR生物反应器的操作条件 1 和类似
先前在几项研究中描述的系统检查生物废水处理中的生物絮凝和微生物结构（辽等人。2001;刘等人2006;Basuvaraj等人 2015）。所采用的SBR在实验室中进行操作并在整个研究过程中暴露于光线下。SBR系统由2L玻璃反应器组成，操作6小时（填充15分钟，反应315分钟，静置15分钟，然后取出15分钟）与空气泵连接的石墨空气扩散器（Optima LR-91926）在生物质充气反应阶段， SBR由COD / N / P比为100：5：1的合成废水供给，其中COD是化学需氧量。合成饲料组合物根据先前的描述进行了修改（辽等。2001）NH 34Cl(57.3),KH2PO4(13.2)MgSO4(2.48),FeSO4·7H（TF90)O（2.49），NaMoO4·2H2O（1.26），MnSO4·4H2O（0.31），CuSO4（0.25），ZnSO4·7H TF97）O（0.44），NaCl（0.25），CaSO4·2H2O（0.43），CoCl2·6H2O（0.41）。将pH调节至7.2-7.4用1M NaOH溶液。每天制备饲料并在4℃下储存，直至通过程控蠕动泵（Cole Parmer型号7520-35）进入反应器。
SBR采用从市政污水处理厂（Cataraqui Bay废水处理厂，加拿大安大略省金斯敦市）获得的活性污泥进行播种，以研究颗粒发育。研究了具有瞬时丝状膨胀阶段的三个阶段的颗粒发育（图1）。1 ）。代表阶段1的样品是在粒状絮状物表面上观察到细丝时收集的，这些细丝恰好在阶段2的发展之前。这个时间点表示为第0天（图1）。2）在瞬时颗粒不稳定性中证明生物质特性，其与丝状生长物相关。 代表阶段2的生物质样品是在生物质部分从生物反应器中洗出时收集的（图2）。2a）。当丝状生长消失并观察到较大的致密颗粒时，收集代表阶段3的样品（图3）。1f).
生物质在造粒过程中的物理性质
如前所述通过测量污泥体积指数（SVI）分析生物质沉降性（辽等人。 2001）。相对疏水性通过碳氢化合物结合测定来测量（常和李等人1998），并且通过zetasizer（Malvern）通过生物质的zeta;电势分析表面电荷。 通过使用（FB120; Fisher Scientific）在15ml管中超声处理30s（在120W开启/关闭脉冲10s）来破碎颗粒。超声处理的颗粒导致均质悬浮液
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表1 反应堆运行情况 条件和性能 |
Parameters |
Stage 1a |
Stage 2a |
Stage 3a |
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SRT (days) |
9plusmn;1 |
2plusmn;1 |
9plusmn;1 |
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HRT (h) |
8 |
8 |
8 |
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Temperature (°C) |
22plusmn;2 |
22plusmn;2 |
22plusmn;2 |
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COD removal (%) |
99plusmn;1 |
99plusmn;1 |
99plusmn;1 |
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|
MLSS (g/L) |
2.6plusmn;0.2 |
1plusmn;0.4 |
2.5plusmn;0.1 |
|
|
SVI30 (ml/g MLSS) |
51.7plusmn;2.5 |
700plusmn;2 |
128plusmn;3 |
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SVI3/SVI30 Surface charge (mV) |
1.4 minus;18.0plusmn;0.1 |
2.2 minus;19.9plusmn;0.2 |
1 minus;24.2plusmn;1.0 |
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Reactor operating cycle |
||||
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Fill, settle, and withdraw phases (min) |
15 each |
15 each |
15 each |
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Reaction phase (min) |
315 |
315 |
315 |
SRT solid retention time, HRT hydraulic retention time, COD chemical oxygen demand, MLSS mixed liquor suspended solids
a Stage 1, stage 2, and stage 3 correspond to day 0, day 35, and day 65
用于测量相对疏水性和表面电荷的细胞。
细胞外聚合物质的提取和定量
如其它地方所述（Mahendran等人，Mol.Cell.Biol），用造粒过程中收集的生物质样品的胞外聚合物（EPS）以钠形式的阳离子交换树脂（Dowex）提取。 2012）。 提取物中的蛋白质和多糖
使用改进的微量滴定测定法对EPS进行定量（Mahendran等人。 2012).
生物质在造
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