废水处理污泥中邻苯二甲酸酯降解菌的多样性

废水处理污泥中邻苯二甲酸酯降解菌的多样性

2021-08-03 17:46:23 0

  随着塑化剂邻苯二甲酸酯(PAEs)在日用品、建筑材料、医药、化妆品等生产行业的广泛应用,其在环境中的残留、分布及对生态系统的危害被日益关注。据统计,PAEs在全球的年消费量高达680万t,由于PAEs与化合物的结合方式为物理结合,导致其较易释放进入环境,该释放过程可发生于塑料产品的生产、使用和丢弃等过程中。目前,在土壤、河水、海水、沉积物和生物群中均发现PAEs的存在,其在环境中长期赋存会对生物体产生毒害效应。PAEs中应用较广泛的为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二异辛酯(DEHP),由于其致癌性、致畸性和致突变性,DBP和DEHP已被美国环境保护署列为优先控制污染物。

  土壤、河水、海水甚至饮用水源中的PAEs污染问题和污水的处理、排放密切相关。目前,中国污水排放标准明确规定了常规生化指标和重金属含量,但PAEs等有机污染物不在其列。因此,即使污水达标排放,PAEs仍会随污水进入水环境系统,并对周围土壤造成污染。

  在中国,除农用大棚和塑料薄膜的使用可直接导致PAEs污染土壤外,大部分含有PAEs的塑料制品废弃物多通过垃圾堆放、填埋和后期污水处理进入环境。生活、医疗和工业垃圾经过长期堆放后,PAEs可从塑料制品中释放,加上雨水的冲刷进入垃圾渗滤液。包含垃圾渗滤液在内的多种污废水是PAEs的主要汇集场所,因此只有在污水处理环节中有效去除PAEs,才能避免污水排放后PAEs对周边环境的二次污染。污水处理中的生物降解是去除各类有机污染物的关键因素。目前,关于污水处理系统中PAEs降解菌的多样性和PAEs对污水处理系统中微生物群落结构的影响鲜有报道。本研究系统探究了常规废水处理污泥对典型PAEs的微生物群落响应特征和污泥中PAEs降解菌的多样性,为PAEs降解菌的实际应用提供理论依据。

  一、材料和方法

  1.1 污泥取样

  废水处理污泥取自浙江省绍兴市某污水处理厂的好氧池,该厂长期处理化工和印染废水。新鲜污泥样经沉淀和离心去除水分后,4℃保存备用。

  1.2 主要培养基和试剂

  基础盐培养基:1.00g/LKH2PO4,7.04g/LNa2HPO4•12H2O,0.10g/LMgCl2•6H2O,1mL微量元素母液,pH7.2。

  微量元素母液:2.1385g/LFeSO4•7H2O,0.1g/LZnSO4•7H2O,0.03g/LMnCl2•4H2O,0.3g/LH3BO4,0.2868g/LCoCl2•6H2O,0.02g/LNiCl2•6H2O,0.03g/LNa2MoO4•2H2O,pH4.0。

  DBP、DEHP均为色谱级试剂,其他试剂均为分析纯试剂。

  1.3 PAEs降解菌富集培养

  针对DBP和DEHP分别进行富集培养,每组实验设置:取5g废水处理污泥置于200mL基础盐培养基中,添加100mg/LDBP或DEHP作为碳源,置于30℃、200r/min摇床培养5d,转接至含有400mg/LDBP或DEHP的基础盐培养基中继续培养5d,再连续转接两轮(DBP或DEHP质量浓度梯度为700、1000mg/L)。

  1.4 DNA提取和序列扩增

  采用十六烷基三甲基溴化铵法对样本的基因组DNA分别进行提取,利用琼脂糖凝胶电泳检测DNA的纯度和浓度,样品DNA稀释至1ng/μL。以稀释后的基因组DNA为模板,根据测序区域的选择,使用带Barcode的特异引物,New England BiGolabs公司的Phusion HighGFidelity PCR MasterMix with GC Buffer和高效高保真酶进行聚合酶链反应(PCR),确保扩增效率和准确性,PCR扩增引物序列及对应区域见表1。

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  1.5 Hiseq测序和数据处理

  使用Thermofisher公司的IonPlusFragmentLibraryKit48rxns试剂盒构建文库,经过Qubit定量和文库检测合格后,使用IonS5TMXL上机测序,测序数据经过Cutadapt(V1.9.1)进行低质量部分剪切,再截去Barcode和引物序列后,初步得到原始数据,去除原始序列中的嵌合体序列后,得到最终有效数据。

  1.6 数据分析

  1.6.1 可操作分类单元(OTUs)聚类和物种注释

  利用Uparse软件(Uparsev7.0.1001/)对所有数据进行聚类分析,具有97%及以上一致性的序列归为一个OTUs,用Mothur方法与SILVA的SSUrRNA数据库对OTUs代表序列进行物种注释,获得分类学信息并分别在界、门、纲、目、科、属、种水平统计群落组成。

  1.6.2 组间群落相似性分析

  基于测序数据和OTUs聚类分析结果,使用Qiime软件计算Unifrac距离,进行非加权组平均法样品聚类分析。使用R软件的ade4包和ggplot2软件包进行主成分分析(PCA),以反映组间群落相似性,并分别进行参数和非参数检验,检验方法选用Tukey和wilcox检验。

  1.6.3 菌群丰度和系统发育多样性分析

  先使用Qiime软件(Version1.9.1)计算菌群丰度指数和系统发育多样性指数。再使用R软件进行菌群丰度和系统发育多样性分析,并分别进行参数和非参数检验,检验方法选用Tukey和wilcox检验。

  二、结果与讨论

  2.1 DBP和DEHP降解效率

  实验证明,4轮富集培养后得到的富集菌液对DBP和DEHP的降解效果较佳。富集菌液对DBP和DEHP的降解效率见图1。当DBP和DEHP为1000mg/L时,其在培养第6天的降解率分别达到57.1%和36.0%,经过10d培养后,富集菌液对DBP、DEHP的降解率分别可达99.9%和83.6%。DEHP的降解速率低于DBP,与文献一致,而原因是DEHP含有比DBP更复杂的支链结构。

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  据报道,DBP和DEHP的降解均从酯水解开始,形成中间产物单酯(邻苯二甲酸丁酯或邻苯二甲酸乙酯)和相应的醇,单酯进一步被降解成为邻苯二甲酸。由于DEHP两个酯链上各多出一个支链,导致其被降解为单酯的难度增强,是其降解速率比DBP慢的主要原因。

  2.2 污泥菌群丰度及组间群落相似性分析

  分别取原废水处理污泥(简称RS组)和DBP、DEHP降解菌富集培养后污泥(分别简称DBP、DEHP组)进行Hiseq测序。OTUs聚类分析发现,DBP、DEHP组中OTUs数量显著低于RS组,DBP、DEHP和RS组的OTUs数量分别为226、273和848,3个样品组共有OTUs数量为205。DBP、DEHP组中分别有90.7%、75.1%的OTUs与RS组中仅24.2%的OTUs重叠。该结果进一步表明,富集培养过程中,DBP和DEHP的添加使废水处理污泥中的微生物多样性显著降低。

  本研究进一步对OTUs代表序列进行了物种注释和组间群落相似性分析,基于OTUs水平的PCA见图2。样品的群落组成越相似,则它们在PCA中的距离越接近。DBP、DEHP组物种组成相似性较高,且均与RS组差异较大。

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  2.3 污泥中优势菌群和PAEs降解菌的分布

  基于菌群丰度分析结果,取相对丰度前10的优势门类(见表2)详细展示不同样品组的物种丰度。变形菌门和拟杆菌门在所有样品组中均占优势,且RS组中相对丰度比DBP、DEHP组中低。在RS组中,放线菌门相对丰度也较高。通过Unifrac距离分析样品间的相似性得知,DBP和DEHP组之间的物种丰度及优势门类较相似,而DBP、DEHP组均与RS组相似度较低。

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  为探讨污泥中PAEs降解菌的分布,在DBP、DEHP和RS组相对丰度排名前35的属中选取并汇总了已被报道的具有DBP或DEHP降解能力的属,结果见表3。在DEHP组中,优势属戈登氏菌属、无色杆菌属、红球菌属、根瘤菌属和金黄杆菌属中均被报道存在DEHP降解菌,在DBP组中,优势属代尔夫特菌属、假单胞菌属和鞘脂菌属中均被报道存在DBP降解菌。戈登氏菌属、红球菌属和根瘤菌属还同时被报道存在DBP降解菌,表明许多具有DEHP降解能力的微生物菌株可能同时存在DBP降解能力,其余属不具备同时降解DBP和DEHP的能力,进一步表明DEHP比DBP更难降解,该结果和DEHP存在更复杂的支链结构相关。鉴于DEHP更难被降解,微生物如果能有效降解DEGHP,则其更容易降解结构相似且没有复杂结构的DBP。系统发育多样性分析表明,已报道的PAEs降解菌存在于多种优势属中,其相互间没有明显进化关系,该结论与已报道的研究结论一致,即在自然环境中PAEs降解菌存在高度的遗传多样性。以上结果表明,废水处理污泥中存在多种类型PAEs降解菌。高浓度DBP和DEHP的存在促使具有DBP/DEHP降解能力的微生物群落不断增长,进而成为优势微生物,最终达到DBP和DEHP的有效降解。但低浓度PAEs的污染仍会造成各类遗传损伤。因此,在复杂的环境中去除低浓度的PAEs仍是亟待解决的重要问题。

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  三、结论

  (1)废水处理污泥经过10d培养后,对1000mg/L的DBP和DEHP的降解率分别可达99.9%和83.6%。DEHP的降解速率低于DBP。

  (2)DBP和DEHP的添加显著降低了废水处理污泥的微生物多样性,DBP、DEHP组物种组成相似性较高,且均与RS组差异较大。

  (3)废水处理污泥中存在多种类型PAEs降解菌。高浓度DBP和DEHP的存在促使具有DBP/DEHP降解能力的微生物群落不断增长,进而成为优势微生物,最终达到DBP和DEHP的有效降解。(来源:浙江科技学院环境与资源学院,浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室;浙江工商大学食品与生物工程学院)

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