脉冲电场对好氧反硝化细菌生长代谢的影响

王 凡, 胡筱敏, 李雪洁, 张 博

(东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819)

硝酸盐是各行业产生的含氮废水中氮污染物的主要存在形式之一.近年来,由于过量的硝酸盐对人类和生态环境造成的不利影响,硝酸盐污染已成为一个全球性的环境问题,世界各国对硝酸盐废水的排放实施了更为严格的监管[1].同时,研究人员也致力于开发经济高效的硝酸盐废水处理方法,以减少硝酸盐污染带来的潜在危害[2-3].好氧反硝化是一种新型的硝酸盐去除技术,好氧反硝化菌的发现颠覆了传统反硝化只能在厌氧或缺氧条件下进行的理论.与传统生物反硝化不同,好氧反硝化菌能够在有氧条件下同时利用氧气和硝酸盐作为电子受体进行反硝化,这使硝化和反硝化过程得以在一个反应器内完成,有效降低了处理成本和操作复杂性[4].近年来,好氧反硝化技术基于其独特的优势逐渐成为硝酸盐废水去除领域的研究热点,研究人员针对好氧反硝化菌的筛选分离、生长因子的影响、关键酶和功能基因的表达等方面开展了一系列系统的研究[5].然而,在好氧反硝化研究取得诸多进展的同时,也暴露出一些问题.目前报道的好氧反硝化技术的应用通常是采用向废水或活性污泥中直接投加一定比例好氧反硝化菌的方式进行的.但在实际处理过程中,由于生长条件的制约以及微生物种群之间的竞争,好氧反硝化菌的生长受到限制,繁殖能力下降,往往难以成为优势菌群.同时,在高浓度硝酸盐废水的处理过程中,随着亚硝酸盐积累量的增加,反硝化进程受到一定程度的抑制,这直接导致了好氧反硝化菌生长时间的延长以及硝酸盐去除能力的下降,难以满足高浓度硝酸盐废水处理的长期需求[6].因此,开发高效的好氧反硝化强化技术,充分发挥其优势和潜力,具有一定的研究意义和价值.

近年来,耦合了生物法和电化学法优点的生物电化学强化技术受到越来越多研究者的关注.在低强度的电场作用下,微生物的酶活性、营养物质利用率以及体系内污染物的降解能力均有不同程度的提升[7].作者课题组一直致力于电场强化生物脱氮相关技术的开发,并取得了一定的研究进展[8].之前的研究已经证实,采用周期换向电絮凝强化技术进行生物脱氮,对硝化和反硝化过程均有显著的促进作用.机理研究表明,电絮凝强化后脱氮性能的提升主要是微生物作用,即电场更多地作用于系统内的微生物,通过刺激微生物的生长代谢间接影响系统的脱氮性能[9-10].使用周期换向直流电场在节约能耗的同时,一定程度上减少了极板的钝化,但因其试验装置较为复杂,可操作性较低.与之相比,脉冲电场因其周期性的通断电特性,且操作简单、能耗低,具有更明显的优势.

脉冲电场能够诱导微生物产生不同的应激反应[11].根据施加的电场强度及其时间函数的不同,脉冲电场会诱导微生物在细胞膜上产生跨膜电压,细胞膜表面出现瞬时或永久性孔隙,分别导致可逆或不可逆电穿孔现象的发生.当电场强度较高时,微生物的细胞膜结构被破坏,不可逆电穿孔的出现导致细胞内成分泄露,微生物被灭活.基于这一作用原理,脉冲电场被广泛应用于食品加工领域[12],例如果汁、奶制品等液体食品的非热巴氏杀菌以及蔬菜、肉类等固体食品的加工保鲜,并逐渐从实验室研究向产业化阶段发展[13-14].随着研究的深入,研究人员发现脉冲电场对微生物的致死效应不再是一个“全有或全无”的过程[15].当对微生物施加低强度的脉冲电场时,由于细胞膜上可逆电穿孔的出现,微生物可能处于亚致死状态,在此状态下的微生物更容易受到刺激而不是被灭活[16].近年来,脉冲电场刺激微生物的研究主要集中在脉冲电场辅助发酵领域[17].作者课题组之前的研究首次将脉冲电场应用于强化生物脱氮领域,并取得了积极的成果[18].研究结果表明,脉冲电场能够有效提高厌氧氨氧化细菌活性,缩短厌氧氨氧化反应的启动时间.研究证实,脉冲电场对厌氧氨氧化过程的强化同样是基于电场作用下微生物自身生长速度和代谢能力的提升.

因此,本研究以好氧反硝化技术的主体微生物——好氧反硝化细菌为主要研究对象,探究了脉冲电场对好氧反硝化细菌生长代谢的影响.通过试验,确定了脉冲电场强化好氧反硝化技术稳定运行的相关工艺参数,为后续脉冲电场强化技术的实际应用提供理论支持.

1 材料与方法

1.1 菌种来源

1.2 试验用水

本研究分别以琥珀酸钠为唯一碳源、硝酸钾为唯一氮源,配制高浓度模拟硝酸盐废水作为试验用水,其主要成分(质量浓度)为:KNO32.0 g·L-1,C4H4Na2O47.5 g·L-1,K2HPO41.0 g·L-1,KH2PO41.0 g·L-1,MgSO4·7H2O 0.2 g·L-1.微量元素为2.0 mL·L-1,调节初始pH至7.2,并于121 ℃条件下高压灭菌20 min后备用.

1.3 脉冲电场处理系统

脉冲电场处理系统试验装置如图1所示.脉冲电场处理室由有机玻璃制成,有效容积为200 mL,处理室内放置一对石墨电极.将经活化后处于对数生长期的好氧反硝化细菌PseudomonasputidaW207-14以一定接种量(体积分数)投加至处理室内,在初始pH为7.2,温度为30 ℃,转速为160 r/min的条件下,使用提供方波脉冲的脉冲电源进行脉冲电场处理研究.试验过程中,对温度、pH和电导率等指标进行实时在线监测.

图1 脉冲电场处理系统示意图Fig.1 Schematic diagram of pulsed electric field treatment system

1.4 分析方法

2 结果与讨论

2.1 脉冲电场强度对好氧反硝化细菌生长代谢的影响

本研究在初始pH为7.2,温度为30 ℃,转速为160 r/min,脉冲频率为1 000 Hz,极板间距为6 cm,接种量为7.5%的试验条件下,探究了不同脉冲电场强度下好氧反硝化细菌PseudomonasputidaW207-14生长代谢的变化情况,试验结果如图2所示.

图2 脉冲电场强度对Pseudomonas putida W207-14生长代谢的影响Fig.2 Effect of PEF strength on growth metabolism of Pseudomonas putida W207-14

2.2 脉冲频率对好氧反硝化细菌生长代谢的影响

本研究在初始pH为7.2,温度为30 ℃,转速为160 r/min,脉冲电场强度为0.8 V·cm-1,极板间距为6 cm,接种量为7.5%的试验条件下,探究了不同脉冲频率下好氧反硝化细菌PseudomonasputidaW207-14生长代谢的变化情况,试验结果如表1所示.

表1 脉冲频率对Pseudomonas putida W207-14生长代谢的影响

2.3 极板间距对好氧反硝化细菌生长代谢的影响

本研究在初始pH为7.2,温度为30 ℃,转速为160 r/min,脉冲电场强度为0.8 V·cm-1,脉冲频率为1 000 Hz,接种量为7.5%的试验条件下,探究了不同极板间距下好氧反硝化细菌PseudomonasputidaW207-14生长代谢的变化情况,试验结果如图3所示.

图3 极板间距对Pseudomonas putida W207-14 生长代谢的影响Fig.3 Effect of electrode distance on growth metabolism of Pseudomonas putida W207-14

2.4 接种量对好氧反硝化细菌生长代谢的影响

本研究在初始pH为7.2,温度为30 ℃,转速为160 r/min,脉冲电场强度为0.8 V·cm-1,脉冲频率为1 000 Hz,极板间距为5 cm的试验条件下,探究了不同接种量下好氧反硝化细菌PseudomonasputidaW207-14生长代谢的变化情况,试验结果如表2所示.

表2 接种量对Pseudomonas putida W207-14生长代谢的影响

2.5 脉冲电场作用下好氧反硝化细菌的生长代谢过程

图4 PEF作用下Pseudomonas putida W207-14 的生长和碳代谢过程Fig.4 Growth and carbon metabolism of Pseudomonas putida W207-14 treated with PEF

图5 PEF作用下Pseudomonas putida W207-14的 氮代谢过程Fig.5 Nitrogen metabolism of Pseudomonas putida W207-14 treated with PEF

3 结 论

2) 脉冲电场对好氧反硝化细菌PseudomonasputidaW207-14的生长有显著的刺激作用.经脉冲电场处理的好氧反硝化细菌仅24 h其OD600即可达到最大值,与未处理的好氧反硝化细菌相比,生长时间大幅缩短.

3) 脉冲电场对好氧反硝化细菌PseudomonasputidaW207-14的硝酸盐去除速率提升显著.经脉冲电场处理的好氧反硝化细菌的硝酸盐去除速率为7.53 mg·L-1·h-1,与未处理的好氧反硝化细菌相比,其硝酸盐去除速率提高了115.76%.