項目文章 | 高鹽榨菜廢水高效處理方法

中文標題:?通過牟氏角毛藻和原生細菌對高鹽榨菜廢水進行藻類修復與應用

英文標題:?Phycoremediation and valorization of hypersaline pickled mustard wastewater via?Chaetoceros muelleri?and indigenous bacteria

期刊名稱：Bioresource Technology

合作單位：重慶市農業(yè)科學院

影響因子：11.4

研究對象：高鹽榨菜廢水

研究方法：16s rRNA測序

百邁客生物在該研究中提供了16s rRNA測序服務。

研究背景

榨菜是以芥菜為原料，經多級酸洗、多次鹽溶液浸泡、壓出果皮而制成的腌菜。榨菜生產是中國三峽庫區(qū)的支柱產業(yè)。榨菜生產第一階段產生的廢水占整個產量的50%以上。第一階段的高鹽榨菜廢水(PMW)具有高鹽、高營養(yǎng)物質(有機質、氨氮和磷)和低pH值的特點。高鹽廢水的直接排放會對環(huán)境造成嚴重的破壞。目前處理高鹽廢水的方法主要有物理化學方法，如電滲析膜法和過硫酸鹽活化法，主要用于預處理階段。雖然這些方法可以有效緩解高鹽度對微生物的抑制，但這些方法具有成本高、效率低的特點。因此，尋找一種高效、環(huán)保、可持續(xù)的PMW處理方法具有重要意義。

本研究旨在探討硅藻-細菌聯(lián)合體處理原料PMW的可行性。本研究對微生物群落的生長、光合作用、抗氧化酶活性等變化進行了全面的研究。此外，還對硅藻-細菌聯(lián)合去除營養(yǎng)物的可能機制進行了探討。最后，在半連續(xù)模式下進行了室外中試栽培，以驗證生物修復效果。本研究為硅藻-細菌聯(lián)合體在PMW處理中的應用奠定了基礎。

材料方法

采用16s rRNA測序技術檢測了PMW、MMW0和MMW12的微生物多樣性。（MMW0 、MMW1 2 ：10 % PMW中的微生物菌團，第0天和第12天）

營養(yǎng)分析（TN、TP、NH-N等）、抗氧化酶活性（MDA、SOD、CAT）

研究結果

1.營養(yǎng)物去除

PMW中的氮元素主要以NH₄⁺-N的形式存在。如圖1A和1B所示，5% PMW組的聯(lián)合體對NH₄⁺-N和TN的去除效果最好，其次是10% PMW組。與5% PMW組相比，10% PMW對TN和NH₄⁺-N的去除率分別下降了2%和4%。與10% PMW相比，20% PMW對TN和NH₄⁺-N的去除率分別下降了22%和27% (p < 0.05)。

磷主要用于合成蛋白質、核酸和磷脂。隨著PMW濃度的增加，TP的去除率逐漸降低(圖1C)， 5%、10%和20% PMW組的去除率分別達到99%、96%和79%。其中，5%和10% PMW對總磷的去除率差異不顯著(p > 0.05)， 20% PMW對總磷的去除率顯著低于10% PMW 。

不同組硅藻-細菌聯(lián)合體對COD的去除效率如圖1D所示。隨著初始COD濃度的增加，聯(lián)合體對COD的去除率逐漸降低。5% PMW和10% PMW組的COD去除率分別約為76%和82%，而20% PMW組的COD去除率僅為63%。高濃度的NH₄⁺-N(>100 mg/L)可能會阻礙微藻的生長，降低其生物修復活性，是導致COD去除率下降的主要原因。

結果顯示，經過12天的處理，原生微生物在10%的PMW中分別去除了6%、11%、12%和18%的TN、NH₄⁺-N、總磷和COD(圖1)。這表明，雖然PMW中存在的原生細菌促進了營養(yǎng)物質的去除，但硅藻在處理原料PMW中發(fā)揮了主要作用。根據上述結果和PMW的排放標準，確定了10%的PMW是通過C. muelleri和細菌培養(yǎng)對PMW進行生物修復的最適宜濃度。

2.光合色素分析、光合效率分析

微藻中的光合色素，如葉綠素a和類胡蘿卜素，通過捕獲光來指導光系統(tǒng)II中的電子傳遞，參與生理代謝的調節(jié)。不同PMW濃度各組葉綠素a含量變化如圖2A所示。10% PMW的葉綠素a含量最高。5% PMW中葉綠素a含量降低可能與養(yǎng)分不足有關。在20%的PMW條件下，培養(yǎng)7天后，藻的顏色逐漸變白，說明C. muelleri不能耐受高于20%的PMW培養(yǎng)基。以上結果進一步證實了10%的PMW是被試組中穆勒梭菌生長的理想濃度。

Fv/Fm檢測可以快速評價微藻對生長環(huán)境的適應性。隨著PMW濃度的增加，在圖2B中，在第12天，10% PMW的Fv/Fm最高(0.658)。與未添加PMW相比，5% PMW、10% PMW和20% PMW的Fv/Fm分別降低了8%、2%和46%。這表明藻類的能量轉化率降低，對微藻的光合作用有一定的抑制作用。在20%的PMW中，F(xiàn)v/Fm值恢復，表明C. muelleri對不利環(huán)境產生了特異性抗性。Fv/F0可用于確定植物的光合效率和生理狀態(tài)。Fv/F0的下降(圖2C)表明C. muelleri供體側的水分裂復合物崩潰，導致電子傳遞能力下降。有效量子產率(ΦPSII)可以揭示微藻在不同環(huán)境條件下的生理狀態(tài)和PSII的性能。5%、10%和20% PMW組C. muelleri的ΦPSII分別為0.16、0.24和0.06(圖2D)。總體而言，10% PMW處理下C. muelleri的光合效率最好，這也有利于PMW處理。

3.抗氧化酶活性

在正常生長的微藻-細菌聯(lián)合體中，活性氧(ROS)的產生和去除的動態(tài)平衡對維持機體功能起著重要作用。MDA是細胞脂質過氧化和損傷程度的常用指標，是膜脂過氧化的產物之一。抗氧化酶活性的變化如圖3所示。在第12天5%、10%和20% PMW組SOD活性分別為為2.06、2.34和2.73 U/mgprot。CAT活性表現(xiàn)出與SOD活性相似的趨勢。與SOD類似，CAT也是存在于大多數生物體中的一種抗氧化酶。超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性升高20%，表明PMW組抗氧化酶活性升高。5%、10%和20% PMW中MDA含量分別為1.74、1.76和2.04 nmol/mgprot(圖3)。MDA含量的持續(xù)增加表明高濃度PMW對微藻細胞造成了損傷。來自聯(lián)合體的抗氧化酶活性增加，以應對氧化應激造成的損害

隨著PMW濃度的增加，微藻-細菌聯(lián)合體分泌的ROS和MDA也逐漸增加。這再次證明，與5%和20%的PMW相比，10%的PMW是廢水處理和C. muelleri培養(yǎng)的最佳初始濃度。

4.胞外聚合物分析

菌藻共生系統(tǒng)的EPS是硅藻-細菌聯(lián)合體在一定環(huán)境條件下分泌的聚合物，主要由蛋白質和多糖組成。圖4顯示了松散結合EPS (LB-EPS)和緊密結合EPS (TB-EPS)蛋白和多糖含量的變化。試驗前2 d EPS中蛋白質和多糖含量呈上升趨勢。隨著處理的進行，LB-EPS中多糖和蛋白質含量在一定范圍內波動(圖4A和4B)，而TB-EPS中多糖和蛋白質含量在整個培養(yǎng)過程中保持增加的趨勢(圖4C和4D)。這表明硅藻-細菌聯(lián)合體分泌的LB-EPS和TB-EPS在長時間暴露于PMW下的反應是不同的。

在整個培養(yǎng)過程中，EPS各組分的蛋白質含量始終低于多糖含量。TB-EPS的蛋白多糖比(PN/PS比)會影響EPS的疏水性或粘度。TB-EPS的PN/PS比值從第0天的0.47下降到第6天的0.39、0.34和0.31，分別為5%、10%和20% PMW組。處理結束時，20% PMW組的PN/PS比顯著高于5%和10% PMW組(p < 0.05)。PN/PS比值的降低表明PMW不適合C. muelleri等細菌的聚集。20% PMW組蛋白質和多糖總濃度高于5%和10%組。這進一步證明，20% PMW組微藻-細菌聯(lián)合體受到較高的應激時，其分泌的EPS更多。

5.微生物群落的組成

與PMW組和MMW0組相比，MMW12組的OTUs分別降低了13%和31%。這表明PMW中局部細菌與微藻的相互作用導致了物種總數的減少。這可能是由于微藻產生的有機物降低了細菌的活性，導致細菌豐度下降。Chao1和ACE的模式與OUTs相似，進一步證實了上述結論。Simpson指數可以用來估計樣品中細菌的多樣性，Simpson值越小，群落的多樣性越豐富。細菌多樣性最高的是MMW0組，其次是PMW組和MMW12組。由此可以推斷，接種C. muelleri降低了PMW中微生物種類的多樣性。

為了進一步明確細菌在系統(tǒng)中的作用，在門和屬水平上的10個優(yōu)勢分類群如圖5A和5B所示。Proteobacteria豐度在PMW中達到58%，與C. muelleri在MMW12共培養(yǎng)條件下增加到77%。變形桿菌中含有多種促進氮轉化和有機物降解的功能菌株。此外，與PMW相比，MMW12組放線菌和藍藻菌的豐度也有所增加。

在屬水平上，PMW中最占優(yōu)勢的分類群是Halomonas、Malaciobacter和Marinobacter。MMW12培養(yǎng)體系中Marinobacter的豐度最高。Marinobacter是一種反硝化微生物，可以耐受高鹽環(huán)境，促進PMW中NO3—N轉化為N2排放而不產生N2O。在PMW中，Malaciobacter的豐度為10%，這可能是由于長期儲存所致。MMW12體系中Malaciobacter的豐度降至0.024%，說明微藻對病原菌有一定的抑制作用。與PMW相比，PMW中Bradymonadale的豐度從1%增加到8%，而MMW12中Bacteroides的豐度明顯下降。這可能是由于Bradymonadales可以以各種細菌為食，并對Bacteroides表現(xiàn)出高度偏好。據報道，Hoeflea能促進氮轉化和有機物降解。因此，MMW12中Hoeflea豐度的增加可能有利于C. muelleri對養(yǎng)分的利用。C. muelleri增加了有機物降解菌和氮轉化菌的相對豐度。這些細菌可以將大分子有機物降解成容易被C. muelleri利用的物質。

研究總結

在本研究中，通過C. muelleri和原生細菌的共同處理，成功地實現(xiàn)了高鹽PMW的生物修復。在12 d內，COD、TN、NH₄⁺-N和總磷的去除率分別達到82%、94%、90%和96%。高濃度的PMW可以增加ROS和MDA的分泌，從而抵抗應激環(huán)境。在MMW12中，Halomonas和Marinobacter的相對豐度顯著增加。同時，C. muelleri可以降低MMW12中潛在致病性Malaciobacter的相對豐度。中試規(guī)模驗證也為通過微藻生物技術處理PMW的實際應用提供了參考。