重金属对微藻-菌颗粒污泥的影响：以镉离子为例

微藻-菌颗粒污泥工艺因其低碳、低耗、高效等优势，有望成为未来市政污水处理的升级技术。但是市政污水中常含有一定量的重金属，其存在可对微藻-菌颗粒污泥工艺产生潜在的毒害作用。如市政污水中镉离子含量可达0.54-1.39mg/L，由于其不可生物降解，因此即使低浓度也可在生物体内持续积累而对生物处理系统造成威胁。据研究，镉离子对微生物的毒害作用主要包括：(1)抑制NADP氧化还原酶；(2)与膜/脂蛋白结合而使其失活；(3)产生活性氧物种（如羟基自由基、超氧自由基等）导致胞内蛋白等受损；(4)抑制光合生物光系统II活性；(5)取代微藻叶绿素中镁离子而降低其捕光能力。近日，来自湖北工业大学和新加坡南洋理工大学的研究团队选取镉离子为典型代表，研究了重金属对微藻-菌颗粒污泥的影响，以期为该工艺在市政污水处理中的应用提供理论基础和技术支撑。

1.镉离子对微藻-菌颗粒污泥胞外聚合物的影响

图1研究结果表明，当镉离子浓度为0-5mg/L时，微藻-菌颗粒污泥中胞外多聚物（EPS）中蛋白质（PN）含量变化不大。但当镉离子浓度继续增加至10mg/L时，EPS-PN含量由对照组的72.29±1.66 mg/g VSS增加至93.84±5.80 mg/g VSS。与此相应，EPS中的多糖（PS）含量也由36.77±3.71 mg/g VSS增加至110.01±4.71 mg/g VSS。以上表明镉离子会刺激微藻-菌颗粒污泥中EPS的分泌。

图1 镉离子对微藻-菌颗粒污泥中EPS的组成及含量的影响

 采用傅立叶变换红外光谱进一步研究，结果显示随着镉离子浓度的增加，磷酸基团P=O伸缩振动逐渐蓝移，而羧基的C-O对称伸缩振动消失。表明EPS-PN中的磷酸基团和羧基可能为微藻-菌颗粒污泥与镉离子的重要结合位点。因此，在镉离子胁迫下EPS-PN分泌的增加有利于其对镉离子的吸附。对颗粒污泥中镉离子进行定量检测（表1），结果显示微藻-菌颗粒污泥中吸附了较多的镉离子。例如，在5 mg/L镉离子浓度下运行24天后，微藻-菌颗粒污泥中镉含量可达2.42±0.09 mg/g VSS；而在10 mg/L镉离子浓度下，运行16天后污泥中镉含量可达3.66±0.14 mg/g VSS。对污泥中积累的镉离子进行质量平衡计算，结果表明EPS在污泥进行镉吸附的过程中起主要作用。如当镉离子浓度由1mg/L增加至10mg/L时，EPS吸附的镉含量可占总吸附量的84.1-94.8%。据此可推测，EPS起到了阻隔镉离子的作用，减轻了其对微藻和细菌的毒性作用。

表1 镉离子作用下微藻-菌颗粒污泥中镉含量随时间的变化

2.镉离子对微藻-菌颗粒污泥菌群结构的影响

如上分析，镉离子主要积聚在微藻-菌颗粒污泥外层的EPS中，据此推测镉离子对位于颗粒污泥外层的微藻影响更为显著。采用高通量测序分析了污泥的菌群结构，图2结果显示对照组微藻-菌颗粒污泥中，小球藻（Chlorella）和绿球藻（Chlorococcum）是主要的微藻，其丰度分别为73.3%和26.6%。而随着镉离子浓度的增加，微藻-菌颗粒污泥中绿球藻和蓝藻丰度降低。污泥中叶绿素a和b浓度的变化也佐证微藻-菌颗粒污泥中蓝藻和绿球藻群落的演替规律。EUBmix探针标记实验结果也表明蓝藻比真核微藻更容易受到镉毒性胁迫。

微藻-菌颗粒污泥中绿藻和蓝藻丰度的下降甚至消失可对微藻和细菌之间的互作共生关系产生负面影响，具体表现为COD和氨氮去除率的显著降低。如当镉离子浓度增加至10mg/L时，COD和氨氮的去除率从70%分别下降至25%和30.5%。此外，微藻-菌颗粒污泥的尺寸呈下降趋势，由对照组的1550±46 μm下降至10 mg/L镉离子的1062±34 μm。综上可知，镉离子胁迫对微藻-菌颗粒污泥的功能和结构均会产生负面效应。

图2 微藻-菌颗粒污泥的微生物群落结构（a：真核生物；b：原核生物）

3.小结

镉离子可刺激微藻-菌颗粒污泥分泌更多的EPS，通过其对镉离子的吸附作用抵御重金属毒性。但另一方面，镉离子会显著抑制颗粒污泥中的微藻，破坏微藻与细菌的互作共生关系，并逐渐形成对颗粒污泥功能和结构的破坏。本研究结果将有助于探明重金属对微藻-细菌颗粒污泥工艺的影响，助推其在污水处理中的推广和应用。

作者简介

汪淑廉，博士，湖北工业大学。

2014年毕业于中国科学院水生生物研究所，2019-2020年南洋理工大学访问学者。主要研究方向为富营养化水体治理、藻菌共生污水净化技术等。主持国家自然科学基金和湖北省自然科学基金等课题，在Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Bioresource Technology、Journal of Cleaner Production等期刊上发表学术论文20余篇。

联系方式：wangshulian@hbut.edu.cn