在廢水生物處理系統(tǒng)中，微生物是污染物降解的主體。一般而言，活性污泥處理系統(tǒng)中微生物生長(zhǎng)繁殖需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量具有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)比例，即化學(xué)需氧量∶氮∶磷(COD∶N∶P)為100∶5∶1。當(dāng)處理廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量達(dá)不到該比例時(shí)，如耗氧有機(jī)污染物(以COD計(jì))濃度過低，或者氮、磷濃度比例過低，則該廢水被稱為貧營(yíng)養(yǎng)廢水。在貧營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)條件下，系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比例失調(diào)，生物系統(tǒng)中活性污泥微生物由于缺乏某類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而活性降低，甚至大量死亡，導(dǎo)致處理系統(tǒng)失效。WANG等發(fā)現(xiàn)，在脫氮除磷系統(tǒng)中，當(dāng)有機(jī)物濃度過低時(shí)，微生物細(xì)胞內(nèi)合成和貯存的PHA不足，系統(tǒng)的脫氮除磷效率將大幅降低。PENG等的研究表明，進(jìn)水底物中缺乏氮或磷會(huì)刺激活性污泥中絲狀菌的增殖，從而發(fā)生絲狀污泥膨脹而使系統(tǒng)處理性能降低。為解決貧營(yíng)養(yǎng)廢水處理效率低的難題，目前大多數(shù)污水處理廠通常采用投加有機(jī)物或氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方式調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)比例，以滿足活性污泥微生物生長(zhǎng)需求，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來，隨著微生物測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，基于16SrRNA高通量測(cè)序技術(shù)的微生物檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于污水處理廠活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的分析中，大大提高了人們對(duì)污泥微生物群落及其功能的了解。目前，對(duì)污水處理系統(tǒng)內(nèi)主要微生物群落的研究已有大量報(bào)道。JIN等的研究表明，在門水平上，活性污泥中的細(xì)菌主要集中在變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和厚壁菌門(Firmicutes)4種。ZHANG等對(duì)滁州市污水處理系統(tǒng)5個(gè)活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn)，在所有活性污泥樣品中，除了上述4種菌門，綠彎菌門(Chloroflexi)和酸桿菌門(Acidobacteria)也是優(yōu)勢(shì)菌。在這些優(yōu)勢(shì)菌門中，變形菌門(Proteobacteria)是活性污泥系統(tǒng)中最常見的原生門類，也是傳統(tǒng)廢水生物處理過程中的關(guān)鍵細(xì)菌群。有研究表明，該菌門與污水生物處理過程中的有機(jī)物降解和脫氮除磷密切相關(guān)，而隸屬于該門的Zoogloea屬是構(gòu)成活性污泥菌膠團(tuán)的重要組成菌屬，在多種有機(jī)物的降解過程中發(fā)揮著重要作用。擬桿菌門(Bacteroidetes)是異養(yǎng)微生物的另一類重要門類，能參與有機(jī)碳和蛋白類物質(zhì)的循環(huán)。該門同時(shí)也是厭氧消化過程中常見的產(chǎn)酸菌，其部分菌屬能降解長(zhǎng)鏈脂肪酸，并可水解發(fā)酵多糖類有機(jī)化合物。有研究表明，擬桿菌門中的擬桿菌屬(Bacteroidales)能夠利用纖維素和多糖，并可將纖維素、二糖、葡萄糖和甘露糖等有機(jī)物降解為醋酸酯或琥珀酸。綠彎菌門(Chloroflexi)作為污水處理廠常見的菌群，具有較高的有機(jī)負(fù)荷承受能力，并且對(duì)糖類有較好的降解能力，可產(chǎn)生乙酸。厚壁菌門(Firmicutes)廣泛分布在厭氧環(huán)境中，包含梭菌綱(Clostridium)、芽孢桿菌綱(Bacillibacteria)等多種功能菌綱，其對(duì)有機(jī)物的水解和酸化有重要作用。此外，酸桿菌門(Acidobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)也是污水處理廠厭氧過程中重要的功能菌群，是厭氧消化過程中的主要產(chǎn)酸菌，起水解酸化作用。以上這些污水處理廠常見主要菌群的研究結(jié)論，大多是基于普通的污水生物處理過程，即微生物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠得到滿足的條件下得到的結(jié)果。然而，當(dāng)污水處理系統(tǒng)中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)受限時(shí)，微生物群落的結(jié)構(gòu)變化和種群分布規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

云南省昆明市某制藥廠廢水處理系統(tǒng)中，進(jìn)水耗氧有機(jī)污染物(以COD計(jì))和懸浮物濃度高，而氮磷濃度極低，進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量比例達(dá)不到常規(guī)微生物生長(zhǎng)需求，COD∶N∶P僅為100∶0.4∶0.07。然而系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行狀況表明，在氮磷營(yíng)養(yǎng)貧乏的條件下，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，污水處理效果良好，出水水質(zhì)均達(dá)到了國(guó)家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。為此，本研究對(duì)該貧營(yíng)養(yǎng)廢水處理系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的污染物降解情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)其活性污泥中微生物進(jìn)行了高通量測(cè)序分析。本研究旨在從系統(tǒng)運(yùn)行及污泥微生物的角度解釋該制藥廠貧營(yíng)養(yǎng)廢水處理系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的原因，為營(yíng)養(yǎng)不均衡的高濃度有機(jī)廢水的處理及系統(tǒng)維護(hù)提供有益指導(dǎo)。

1、工藝系統(tǒng)概況

1.1 水質(zhì)水量概況

云南省昆明市某制藥廠污水處理站總處理水量約為1 000 m3·d−1，進(jìn)水分別來源于生產(chǎn)廢水和生活污水。生產(chǎn)廢水主要來自車間洗泡蒸煮藥材、沖洗、制劑等生產(chǎn)過程，該廢水的特點(diǎn)為：廢水COD值高、波動(dòng)范圍較大，耗氧有機(jī)污染物(以COD計(jì))質(zhì)量濃度通常在1 000~2 000 mg·L−1波動(dòng)；廢水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素含量較低(TN<9 mg·L−1、TP<1 mg·L−1)，加大了生物處理的難度。工藝好氧段曝氣池MLSS為3 000~4 000 mg·L−1，MLVSS為1 500~2 000 mg·L−1，SVI為100~150 mL·g−1。廢水經(jīng)污水處理站處理后，部分廢水排入市政管網(wǎng)，部分經(jīng)過深度處理后作為該廠中水進(jìn)行回用。

1.2 工藝流程

系統(tǒng)處理工藝為A2O工藝，厭氧過程采用IC工藝，好氧過程采用活性污泥完全混合處理工藝。為了適應(yīng)不同的進(jìn)水水質(zhì)，在生化處理工藝的前端分別設(shè)置了2組預(yù)處理工藝。污染物濃度較高的生產(chǎn)廢水(濃廢水)，首先經(jīng)過沉淀作用去除水中部分懸浮物，再進(jìn)入濃廢厭氧池進(jìn)行部分有機(jī)污染物的降解，而后流入調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量。經(jīng)過這樣預(yù)處理后，濃廢水才能進(jìn)入后續(xù)的主體生化系統(tǒng)進(jìn)行處理；污染物濃度較低的生活污水(淡廢水)，經(jīng)沉淀后直接流入調(diào)節(jié)池進(jìn)行后續(xù)的生化處理。混合后的調(diào)節(jié)池出水從厭氧污泥池底部進(jìn)入，與堆積在池子底部的污泥混合接觸，經(jīng)污泥中微生物對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行充分降解后，出水自厭氧池上部出水口流入缺氧池進(jìn)行反硝化脫氮。缺氧池出水繼而流入好氧池，在大量好氧異養(yǎng)菌的作用下，有效地去除剩余有機(jī)污染物。好氧池出水經(jīng)過二沉池泥水分離后，部分出水排入市政管網(wǎng)，剩下的部分廢水經(jīng)過混凝沉淀、曝氣生物濾池、消毒等深度處理工藝處理后作為中水回用。系統(tǒng)詳細(xì)工藝流程圖如圖1所示。

2、實(shí)驗(yàn)與分析方法

2.1 分析項(xiàng)目及方法

分別取調(diào)節(jié)池和生化處理單元各反應(yīng)池末端的出水進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。采用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)COD、氨氮、硝態(tài)氮、TN、TP、SS、SVI、MLSS、MLVSS等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定；DO、pH、水溫等用雷磁多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定。

2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)及特征分析

在工藝系統(tǒng)運(yùn)行過程中，分別收集厭氧池、曝氣池的污泥微生物樣品。采用CTAB或SDS方法對(duì)污泥樣品的基因組DNA進(jìn)行提取，提取樣品總DNA后，根據(jù)全長(zhǎng)引物序列合成帶有Barcode的特異引物，進(jìn)行PCR擴(kuò)增并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行純化、定量和均一化，形成測(cè)序文庫(kù)(SMRTBell)，建好的文庫(kù)先進(jìn)行文庫(kù)質(zhì)檢，質(zhì)檢合格的文庫(kù)用PacBio Sequel進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。使用USEARCH(10.0版)在相似性97%(默認(rèn))的水平上對(duì)有效的標(biāo)簽序列進(jìn)行聚類，默認(rèn)以測(cè)序所有序列數(shù)的0.005%作為閾值過濾OTUs。以silva為參考數(shù)據(jù)庫(kù)，使用樸素貝葉斯分類器對(duì)OTUs代表序列進(jìn)行分類學(xué)注釋，得到物種分類學(xué)信息，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)各個(gè)樣品在門、綱、目、科、屬和種水平上的群落組成。利用QIIME軟件計(jì)算各樣品在97%相似度水平下的ACE、Chao、Shannon及Simpson指數(shù)。將數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入QIIME軟件，對(duì)OTUs表進(jìn)行組間差異性分析，生成不同分類水平上的物種豐度表，再利用R語言工具繪制成樣品各分類學(xué)水平下的群落結(jié)構(gòu)圖。

3、結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行狀況分析

系統(tǒng)在近10年的運(yùn)行過程中，處理效果穩(wěn)定，出水有機(jī)污染物及氮、磷濃度低，達(dá)到國(guó)家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)和《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 3082-1999)。其中，COD和BOD的去除率均高達(dá)90%以上；氮磷去除率也達(dá)到70%左右。表1顯示了近期系統(tǒng)出水指標(biāo)的具體監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)各階段處理狀況分析

為探查系統(tǒng)在貧營(yíng)養(yǎng)條件下各階段的處理性能，本實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)水及各反應(yīng)器末端出水水質(zhì)進(jìn)行了取樣檢測(cè)。系統(tǒng)中各處理構(gòu)筑物末端出水污染物平均濃度變化如圖2所示。水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明，貧營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)并未對(duì)系統(tǒng)各處理階段的處理性能產(chǎn)生明顯影響；有機(jī)物在系統(tǒng)厭氧、缺氧和好氧過程中都得到了很好的降解，氮、磷在厭氧過程中略有積累，而在缺氧和好氧過程中得到很好的降解。厭氧池的COD去除率為52%左右，好氧池的COD去除率為93%，系統(tǒng)COD總?cè)コ�率高達(dá)98%，這表明系統(tǒng)具有良好的有機(jī)物降解效果。TN和氨氮的降解主要在缺氧段和好氧段，缺氧段的去除率為9.61%和16.81%，好氧段為29.37%和95.75%。厭氧過程中氮磷濃度略有上升，這可能與其過長(zhǎng)的SRT有關(guān)。有研究表明，厭氧條件下氮磷的釋放受SRT影響，過長(zhǎng)的SRT會(huì)導(dǎo)致氮磷的釋放量增加。本系統(tǒng)中厭氧池污泥長(zhǎng)時(shí)間停留在反應(yīng)器內(nèi)，其SRT長(zhǎng)達(dá)78 d左右，有可能導(dǎo)致其氮磷濃度增加。此外，有研究表明，當(dāng)活性污泥系統(tǒng)同時(shí)缺乏氮磷時(shí)，部分污泥將發(fā)生解體。因此，本研究中由于氮磷缺乏而導(dǎo)致的部分微生物死亡解體，從而釋放氮磷，也可能是造成厭氧池氮磷濃度升高的原因。

3.3 貧營(yíng)養(yǎng)條件下系統(tǒng)微生物群落分析

在污水生物處理系統(tǒng)中，微生物是污染物去除的主要執(zhí)行者，系統(tǒng)中微生物的種類、數(shù)量及分布等狀況，從根本上決定著系統(tǒng)處理性能及效果。為揭示貧營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)條件對(duì)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)菌群的影響，本研究對(duì)該污水處理系統(tǒng)中的厭氧池和好氧曝氣池的污泥樣品進(jìn)行了高通量測(cè)序，考察兩生化反應(yīng)池與正常營(yíng)養(yǎng)水平廢水處理系統(tǒng)中微生物群落的差異。

1)高通量測(cè)序數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該系統(tǒng)中好氧池和厭氧池的有效序列數(shù)分別為4 625和4 875；在97%的相似度水平上對(duì)有效序列歸類OTUs，好氧池和厭氧池的OUTs數(shù)量分別為253和78。好氧池的OUT數(shù)量較高，表明好氧池具有較多的微生物種類。好氧池的細(xì)菌群落具有19門、24綱、55目、62科、70屬；厭氧池細(xì)菌群落具有18門、27綱、35目、44科、51屬。

OUTs稀釋曲線能夠驗(yàn)證測(cè)序數(shù)據(jù)量是否足以反映樣品中的物種多樣性，并間接反映樣品中物種的豐富程度。圖3所示的OUTs稀釋曲線反映了在持續(xù)抽樣下系統(tǒng)新物種出現(xiàn)的速率。結(jié)果表明，在97%的相似度水平上，當(dāng)好氧池、厭氧池的樣品序列數(shù)分別在0~1 500和0~1 000時(shí)，曲線表現(xiàn)為急劇上升的趨勢(shì)，表明群落中有大量物種被發(fā)現(xiàn)；而當(dāng)樣品序列數(shù)分別大于4 500和3 625后，曲線趨于平緩，表明此環(huán)境中的物種并不會(huì)隨測(cè)序數(shù)量的增加而顯著增多，基本達(dá)到飽和。該曲線說明該測(cè)序結(jié)果能夠反映2生化池微生物群落的多樣性。

Alpha多樣性(Alpha diversity)反映的是單個(gè)樣品的物種豐度及物種多樣性，一般有多種衡量指標(biāo)，如Chao、ACE、Shannon和Simpson。Chao和ACE指數(shù)用于衡量物種豐度即物種數(shù)量的多少；Shannon和Simpson指數(shù)用于衡量物種多樣性，受樣品群落中物種豐度和物種均勻度(community evenness)的影響。在相同物種豐度的情況下，群落中各物種均勻度越大，群落多樣性越高；Shannon和Simpson指數(shù)值越大，樣品的物種多樣性越高。厭氧池、好氧池所取污泥微生物樣品的Alpha多樣性分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，好氧池的OTUs、Chao指數(shù)和ACE指數(shù)明顯高于厭氧池，說明好氧池的細(xì)菌群落更加豐富。同時(shí)，好氧池的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)也略高于厭氧池，表明好氧池比厭氧池具有更高的群落多樣性。測(cè)序?qū)嶒?yàn)還統(tǒng)計(jì)了樣品覆蓋率(coverage指數(shù))，以鑒定測(cè)試結(jié)果是否代表樣品微生物的真實(shí)情況。該指數(shù)越高，則樣本中物種被測(cè)出的概率越高。2個(gè)反應(yīng)池的樣品覆蓋率均大于0.99，說明測(cè)序結(jié)果能夠反映樣品微生物的真實(shí)情況。

2)好氧池、厭氧池在門水平上的細(xì)菌群落分布如圖4所示。從門水平上的差異可看出，好氧池的優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門(Proteobacteria，65.8%)、綠彎菌門(Chloroflexi，6.26%)、擬桿菌門(Bacteroidota，4.95%)、浮霉菌門(Planctomycetota，4.67%)以及酸桿菌門(Acidobacteriota，3.76%)。這些檢測(cè)結(jié)果與WANG等對(duì)中國(guó)14個(gè)污水處理系統(tǒng)細(xì)菌多樣性的焦磷酸測(cè)序分析結(jié)果基本一致。在好氧池還檢測(cè)到了硝化螺旋菌門(Nitrospirota)，相對(duì)豐度占1.76%，表明好氧池具有良好的硝化作用。此外，脫硫桿菌門(Desulfobacterota)和Armatimonadota門分別占1.61%和1.57%。ANTUNES等的研究表明，Armatimonadota門與廢水中耗氧有機(jī)物(以COD計(jì))、TOC、TDS和SS濃度呈顯著的正相關(guān)。因此，系統(tǒng)中的高有機(jī)濃度有助于Armatimonadota門的生長(zhǎng)。此外，在其他研究中常發(fā)現(xiàn)占優(yōu)勢(shì)的厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門(Actinobacteria)，在本研究中的數(shù)量卻較少，存在這一差異的原因有待進(jìn)一步探究。

相比之下，厭氧池豐度最高的優(yōu)勢(shì)菌門是污水處理系統(tǒng)中常見的擬桿菌門(Bacteroidetes)，占總?cè)郝涞?/span>39.29%，其次是變形菌門(Proteobacteria，29.05%)和綠彎菌門(Chloroflexi，16.31%)。擬桿菌門在厭氧池中占主導(dǎo)地位，說明厭氧池中發(fā)生了良好的水解和酸化作用。另外，Patescibacteria門在厭氧池中占9.61%，厚壁菌門(Firmicutes)占1.98%。除Patescibacteria外，以上幾種優(yōu)勢(shì)菌門與AHRING所報(bào)道的厭氧系統(tǒng)中常見菌門一致。在以往的研究中，關(guān)于厭氧系統(tǒng)中Patescibacteria的研究報(bào)道還比較少。Patescibacteria門是新定義的超級(jí)門，其普遍存在于含水層環(huán)境中，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少、DO濃度較低的地下水中。由于這一門具有超小的細(xì)胞體積，使其具有較高的表容比，能最大限度地利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。由此可推測(cè)，該門在本系統(tǒng)厭氧池中的分布與貧營(yíng)養(yǎng)水體環(huán)境的選擇作用存在一定的關(guān)聯(lián)。

3)從2生化池細(xì)菌群落在綱水平上的分布來看(圖5)，好氧池的優(yōu)勢(shì)菌綱主要包括γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria，40.25%)、α-變形菌綱(Alphaproteobacteria，24.71%)、厭氧繩菌綱(Anaerolineae，6.26%)、擬桿菌綱(Bacteroidia，4.95%)、浮霉菌綱(Planctomycetes，2.68%)以及Vicinamibacteria菌綱(2.53%)。此外，還發(fā)現(xiàn)了硝化螺旋菌綱(Nitrospiria，1.76%)以及不常見的Fimbriimonadia菌綱(1.55%)和Blastocatellia菌綱(1.19%)。與通常的研究結(jié)果不同，好氧池的優(yōu)勢(shì)菌綱中出現(xiàn)了厭氧繩菌綱(Anaerolineae)，該菌綱是發(fā)酵分解糖類的厭氧細(xì)菌綱。其能夠在好氧池中富集的原因可能是Anaerolineae綱的一些菌種是半共營(yíng)養(yǎng)型微生物，可與氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌等細(xì)菌協(xié)同降解糖類。另外，隸屬于酸桿菌門(Acidobacteriota，3.76%)的Vicinamibacteria菌綱和Blastocatellia菌綱相對(duì)豐度之和為3.72%，表明二者是酸桿菌門的主要貢獻(xiàn)者。Vicinamibacteria為好氧有機(jī)異養(yǎng)菌，能耐受廣泛的pH范圍，對(duì)不同的糖類、復(fù)雜的蛋白質(zhì)化合物具有良好的代謝效果；而Blastocatellia菌綱的細(xì)菌偏好缺乏營(yíng)養(yǎng)的生長(zhǎng)條件，能夠在干旱和營(yíng)養(yǎng)限制的條件下生存。Fimbriimonadia是一類嚴(yán)格需氧的非運(yùn)動(dòng)性桿狀細(xì)菌，這類細(xì)菌大多生長(zhǎng)在低營(yíng)養(yǎng)介質(zhì)中，絕大部分有機(jī)底物都不能作為碳源而被其利用。

厭氧池的優(yōu)勢(shì)菌綱則主要為擬桿菌綱(Bacteroidia)、δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria)以及厭氧繩菌綱(Anaerolineae)，相對(duì)豐度分別為38.72%、28.21%和16.25%。其次，Microgenomatia菌綱占比為6.41%、梭狀芽孢桿菌綱(Clostridia)為1.90%，最后是WS6_Dojkabacteria菌綱和Saccharimonadia菌綱，相對(duì)豐度分別為1.53%和1.37%。大多數(shù)厭氧繩菌綱(Anaerolineae)的物種都能進(jìn)行發(fā)酵代謝，有助于在厭氧條件下糖類和蛋白質(zhì)的降解，是厭氧系統(tǒng)中一個(gè)重要的發(fā)酵種群。與AHRING的研究結(jié)果不同，本系統(tǒng)的厭氧池中出現(xiàn)了2種不常見的菌群，即Microgenomatia和Saccharimonadia。Microgenomatia和Saccharimonadia均屬于Patescibacteria門，他們不僅能夠在厭氧條件下進(jìn)行廣泛的有機(jī)底物代謝，而且能夠在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏的貧營(yíng)養(yǎng)水體中生長(zhǎng)。Microgenomatia菌綱能水解發(fā)酵纖維素，Saccharimonadia菌綱中的一些菌屬被發(fā)現(xiàn)有助于降解烴類物質(zhì)。

4)圖6所示的百分比柱狀堆積圖反映了好氧池和厭氧池的微生物群落分別在屬水平上的分布情況。微生物群落作為生物反應(yīng)器的主體，決定了生物反應(yīng)器的性能，而在一個(gè)污水生物處理過程中，微生物群落的形成又受當(dāng)?shù)貧夂驐l件、工藝類型和被處理廢水的性質(zhì)等因素的影響。本研究中，高有機(jī)物濃度、低氮磷的貧營(yíng)養(yǎng)條件無疑是一個(gè)最重要的影響因素，此條件極有可能為系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)施加選擇壓。實(shí)際結(jié)果也表明，本系統(tǒng)的好氧池微生物菌屬與常規(guī)的好氧活性污泥系統(tǒng)菌屬有很大差別。在一般的生活污水處理廠中，活性污泥優(yōu)勢(shì)菌屬主要為動(dòng)膠菌屬(Zoogloea)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、叢毛單胞菌屬(Comamonas)和黃桿菌屬(Flavobacterium)以及硝化螺旋菌屬(Nitrospira)等；而在本研究中，好氧池的優(yōu)勢(shì)菌屬包括Amaricoccus(8.03%)、Methylibium(6.50%)、Reyranella(3.1%)、Plasticicumulans(3.06%)、新鞘氨醇桿菌屬(Novosphingobium，2.91%)、Vicinamibacter(2.46%)、脫氯單胞菌屬(Dechloromonas，2.31%)、甲基暖菌屬(Methylocaldum，2.17%)、Ideonella(1.97%)和Sphingopyxis(1.78%)。其中，豐度最高的屬Amaricoccus是一種貧營(yíng)養(yǎng)(氮、磷營(yíng)養(yǎng)不足)增殖的好氧細(xì)菌，屬于變形菌門(Proteobacteria)，α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)，革蘭氏陰性，能以多糖為底物降解多糖。在氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素受限制的情況下，他們能大量地儲(chǔ)存胞內(nèi)PHB，并合成胞外莢膜物質(zhì)，因此，能在N、P受限制的條件下增殖。Plasticicumulans屬是專性好氧異養(yǎng)菌，能夠利用多種有機(jī)化合物作為碳源和能源，如醋酸鹽、乙醇和乳酸鹽等。該屬能在超過85%的細(xì)胞干重中積累92%的PHB，并利用氨、硝酸鹽和復(fù)合有機(jī)氮作為氮源。通常認(rèn)為，PHB是微生物在營(yíng)養(yǎng)不均衡的條件下，如碳源過剩、而其他如氮、磷、硫等營(yíng)養(yǎng)限制，積累在體內(nèi)作為其營(yíng)養(yǎng)和能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)，并參與細(xì)胞代謝的天然產(chǎn)物。Plasticicumulans積累PHB的性質(zhì)使其得以在該系統(tǒng)的貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)。以上這些菌屬在好氧池中占主導(dǎo)地位，表明在好氧池中出現(xiàn)了適應(yīng)貧營(yíng)養(yǎng)條件的優(yōu)勢(shì)菌屬，這些菌屬能夠有效地降解含有大量生物難降解有機(jī)物并缺乏氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的中藥廢水，達(dá)到良好的去除效果，以此來保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

厭氧池的優(yōu)勢(shì)菌屬主要集中在地桿菌屬(Geobacter，26.62%)、帕盧迪桿菌屬(Paludibacter，20.98%)、uncultured_bacterium_f_Bacteroidetes_vadinHA17(14%)、未培養(yǎng)的厭氧菌屬(uncultured_bacterium_f_Anaerolineaceae，10.82%)等4種。此外，還發(fā)現(xiàn)了uncultured_bacterium_o_Candidatus_Shapirobacteria(6.41%)、uncultured_bacterium_f_Prolixibacteraceae(2.51%)和纖繩菌屬(Leptolinea，2.49%)。最后是uncultured_bacterium_o_Saccharimonadales和互營(yíng)單胞菌屬(Syntrophomonas)，相對(duì)豐度分別占1.37%和1.31%。

地桿菌屬(Geobacter)在厭氧池豐度最高，占26.62%。地桿菌屬(Geobacter)為變形菌門、δ-變形菌綱；革蘭氏陰性、桿狀、嚴(yán)格厭氧。這類菌群顯著的代謝特征是能將有機(jī)物的氧化與Fe(Ⅲ)的還原結(jié)合起來，在厭氧條件下以乙酸鹽、芳香烴、有機(jī)氯化物等多種有機(jī)污染物作為電子供體和碳源，還原可溶性或不溶性的Fe(Ⅲ)。地桿菌屬(Geobacter)對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，因而在被石油污染的含水層、被垃圾滲濾液污染的地下水、生活污水和各種廢水等環(huán)境中均能發(fā)現(xiàn)其存在。據(jù)以往的研究，地桿菌屬(Geobacter)在參與厭氧消化方面有很大的潛力，可以廣泛地利用有機(jī)物作為底物，如揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、醇、酚和苯等。不僅如此，地桿菌屬(Geobacter)還可以與其他物種(如產(chǎn)甲烷菌等)建立直接電子連接，即直接種間電子轉(zhuǎn)移，例如，金屬還原地桿菌(Geobactermetallireducens)可與甲烷絲菌屬(Methanosaeta)或甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)等產(chǎn)甲烷菌共培養(yǎng)。地桿菌屬(Geobacter)在本廢水處理系統(tǒng)厭氧池占主導(dǎo)地位，說明厭氧池發(fā)生了良好的水解酸化作用，同時(shí)也有利于厭氧消化中的產(chǎn)甲烷過程。同時(shí)，其它的優(yōu)勢(shì)菌屬，如帕盧迪桿菌屬(Paludibacter)是β-擬桿菌綱(Betabacteroidetes)、紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)下的一種嚴(yán)格厭氧菌，該菌能發(fā)酵多種單糖和二糖產(chǎn)生乙酸、丙酸和少量丁酸，是一種產(chǎn)酸菌。

纖繩菌屬(Leptolinea)在厭氧條件下能將多糖等有機(jī)物降解轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和脂肪酸，有利于糖類等有機(jī)物的水解酸化。值得注意的是，纖繩菌屬(Leptolinea)屬于營(yíng)養(yǎng)匱乏的綠彎菌亞門I(ChloroflexisubphylumI)中的厭氧菌綱，需要與其他微生物結(jié)合才能有效生長(zhǎng)。uncultured_bacterium_o_Saccharimonadales(1.37%)系超級(jí)門Patescibacteria門，具有非常小的基因組和細(xì)胞大小，通常與其他微生物共存、依賴共代謝生長(zhǎng)；一些該細(xì)菌被證明能夠吸收油酸并具有脂肪酶和其他外酶活性；可在發(fā)酵途徑中將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸。互營(yíng)單胞菌屬(Syntrophomonas)是厭氧發(fā)酵中常見的微生物，可以降解丁酸，是厭氧活性污泥的功能菌屬之一。Syntrophomonas可與氫化產(chǎn)甲烷菌共同消耗長(zhǎng)鏈和短鏈脂肪酸，是厭氧消化中重要的共營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌，具有產(chǎn)生氫或甲酸作為甲烷菌電子載體的功能。Syntrophomonas屬在厭氧反應(yīng)池中的富集，可能也有助于提高COD去除率和產(chǎn)甲烷量。

由上述分析可知，貧營(yíng)養(yǎng)進(jìn)水條件下，厭氧池中出現(xiàn)了適應(yīng)該環(huán)境條件并能降解各種復(fù)雜有機(jī)物的優(yōu)勢(shì)菌屬Gobacter和Paludibacter，Gobacter主要參與厭氧過程的水解發(fā)酵，Paludibacter參與產(chǎn)酸過程。其次，氮磷營(yíng)養(yǎng)元素的限制為起水解酸化作用的貧營(yíng)養(yǎng)菌屬Leptolinea的生長(zhǎng)提供了有利條件。以Leptolinea和Syntrophomonas為代表的優(yōu)勢(shì)菌屬與其他功能菌屬的共代謝生長(zhǎng)有利于厭氧消化過程的順利進(jìn)行。其中，Syntrophomonas與產(chǎn)甲烷菌的共營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)不僅促進(jìn)了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程，還有利于厭氧產(chǎn)甲烷。總之，以上這些優(yōu)勢(shì)菌屬在厭氧池的穩(wěn)定生長(zhǎng)及分工合作是厭氧池能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障。

4、結(jié)論

1)該貧營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況表明，系統(tǒng)能在TN、TP分別低至約10 mg·L−1和1 mg·L−1的條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，且系統(tǒng)處理效果良好。

2)中藥廢水的特殊性質(zhì)(高COD、低N、P營(yíng)養(yǎng))對(duì)微生物群落的生長(zhǎng)施加了選擇壓，即大量有機(jī)物的存在為具有高有機(jī)物降解能力的異養(yǎng)菌提供了微生物選擇。其中，厭氧池中表現(xiàn)為Geobacter(26.62%)，好氧池中表現(xiàn)為Amaricoccus(8.03%)。

3)貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境和工藝運(yùn)行條件促進(jìn)了貧營(yíng)養(yǎng)需求菌的優(yōu)勢(shì)增長(zhǎng)，如厭氧池中的纖繩菌屬(Leptolinea)、好氧池中的Amaricoccus屬和Plasticicumulans屬，這些優(yōu)勢(shì)菌本身具有很強(qiáng)的有機(jī)物降解能力，并在處理統(tǒng)系統(tǒng)中各個(gè)階段分工合作，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到良好的處理效果。

4)一些優(yōu)勢(shì)菌與其他菌種的共營(yíng)養(yǎng)生存，使系統(tǒng)在污染物降解的各個(gè)階段能夠有序地進(jìn)行，保障了該系統(tǒng)在長(zhǎng)期處理過程中的穩(wěn)定運(yùn)行。其中厭氧繩菌綱(Anaerolineae)、地桿菌屬(Geobacter)、纖繩菌屬(Leptolinea)及互營(yíng)單胞菌屬(Syntrophomonas)是典型的代表。（來源：昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）