厭氧顆粒污泥實(shí)質(zhì)上是多種微生物的聚集體，水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌以及產(chǎn)甲烷菌組成了一個(gè)互營(yíng)共生的微生態(tài)系統(tǒng)。在厭氧顆粒污泥中，厭氧微生物生態(tài)系統(tǒng)不斷演化的過程受多種因素的影響，如廢水性質(zhì)、污泥負(fù)荷率、系統(tǒng)的選擇壓、pH值和溫度等。不同的環(huán)境條件所培養(yǎng)出的污泥的微生物種群結(jié)構(gòu)和空間分布不同，所以有機(jī)物降解途徑不同，表現(xiàn)為各個(gè)厭氧顆粒污泥的微環(huán)境差異。

厭氧顆粒污泥微環(huán)境的研究對(duì)于揭示厭氧顆粒污泥形成和結(jié)構(gòu)具有重要意義，基于分子生物學(xué)方法的PCR和熒光原位雜交(FISH)等技術(shù)常用于微生物群落和空間分布的分析，但這些技術(shù)難以提供微生物在聚集體中的原位活性信息。而微電極恰可以彌補(bǔ)不足，微電極技術(shù)是20世紀(jì)七八十年代興起的一種分析手段，其尖端可低至1μm以下，因此具有很高的空間分辨率，是測(cè)定極小體積(微米范圍)對(duì)象的微小濃度變化的特殊工具。微電極能夠原位監(jiān)測(cè)顆粒污泥內(nèi)部底物、中間和最終產(chǎn)物濃度的空間變化，進(jìn)而確定微生物活性和不同種群微生物的空間分布情況。

筆者針對(duì)蔗糖、丁酸、乙酸為進(jìn)水底物培養(yǎng)的厭氧顆粒污泥，基于不同有機(jī)物厭氧降解途徑差異引起顆粒污泥內(nèi)部pH值的變化，用實(shí)驗(yàn)室自制的pH值離子選擇性液膜微電極對(duì)3種厭氧顆粒污泥的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并對(duì)3種污泥進(jìn)行16S rDNA測(cè)序分析其種群結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)試污泥的產(chǎn)甲烷活性，以揭示顆粒污泥的形成、結(jié)構(gòu)與進(jìn)水組成的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)有機(jī)玻璃制成UASB反應(yīng)器，內(nèi)徑D為80 mm，三相分離器以下高h(yuǎn)為520 mm，有效容積約3 L。反應(yīng)器進(jìn)水管管口向下，廢水泵入后經(jīng)反應(yīng)器底部的反射作用，能較均勻的與反應(yīng)區(qū)污泥相混合，避免短流和溝流現(xiàn)象。反應(yīng)器整體置于恒溫室內(nèi)，將水溫控制在30℃±1℃。

接種污泥及進(jìn)水水質(zhì)

接種污泥為咸陽市某造紙廠的IC反應(yīng)器底部顆粒污泥，污泥VS/TS=70.9%，3個(gè)反應(yīng)器接種相同量的污泥，反應(yīng)器內(nèi)污泥初始濃度為12.3 gVSS·L-1。

UASB反應(yīng)器進(jìn)水采用自配的合成廢水，1號(hào)，2號(hào)和3號(hào)反應(yīng)器(以下依次稱為R1，R2和R3)分別以蔗糖、乙酸和丁酸為單一碳源，穩(wěn)定運(yùn)行后其濃度均為3 gCOD·L-1。R1用NaHCO3調(diào)節(jié)堿度，其濃度為3 g·L-1，R2和R3的酸均用NaOH中和，控制進(jìn)水pH值不低于6.5；此外，3個(gè)反應(yīng)器的進(jìn)水中均投加等量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、微量元素和酵母粉。

微電極測(cè)試系統(tǒng)

UASB穩(wěn)定運(yùn)行后，取污泥樣品于微型模擬反應(yīng)槽，其進(jìn)水水質(zhì)模擬反應(yīng)器條件，通過向微型槽吹氮?dú)獗３治勰嗟膮捬醐h(huán)境，用pH微電極測(cè)量污泥并采集數(shù)據(jù)。

R2反應(yīng)器(底物乙酸)中顆粒污泥采用不同測(cè)試底物時(shí)內(nèi)部pH值梯度

討論

由于厭氧消化涉及的水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、同型產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四大微生物種群對(duì)有機(jī)物的降解會(huì)引起周圍微環(huán)境中pH值的改變，可以根據(jù)厭氧顆粒污泥內(nèi)部pH梯度推斷不同種群微生物的空間分布，將pH微電極的測(cè)試結(jié)果與微生物種群分析的直接結(jié)果對(duì)照，可以得出更為準(zhǔn)確的判斷。

根據(jù)表1產(chǎn)甲烷活性測(cè)試結(jié)果和16S rDNA測(cè)序分析結(jié)果，反應(yīng)器R1中以蔗糖為底物培養(yǎng)的顆粒污泥內(nèi)部微生物種群最為豐富，因此微電極測(cè)試曲線中顆粒污泥內(nèi)部pH值從表層到核心先降低(蔗糖水解酸化和VFA產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸)，后升高(利用乙酸產(chǎn)甲烷)的趨勢(shì)，這說明在該種污泥中，水解酸化和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌分布在污泥外層，而利用乙酸的產(chǎn)甲烷菌分布在污泥核心。反應(yīng)器R2中以乙酸為底物培養(yǎng)的顆粒污泥內(nèi)部微生物種群最為簡(jiǎn)單，細(xì)菌種群類別少，只能以乙酸鹽為底物的甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)和甲烷八疊球菌(Methanosarcina)占古菌的近90%。由于能夠降解蔗糖和丁酸的細(xì)菌數(shù)量少，所以蔗糖和丁酸為測(cè)試底物時(shí)厭氧顆粒污泥內(nèi)部pH值梯度很小。反應(yīng)器R3中以丁酸為底物培養(yǎng)的顆粒污泥內(nèi)部微生物種群較蔗糖污泥簡(jiǎn)單，但比乙酸污泥復(fù)雜。在該種污泥中同樣能夠降解蔗糖的細(xì)菌數(shù)量少，所以蔗糖為測(cè)試底物時(shí)厭氧顆粒污泥內(nèi)部pH值梯度很小。

因此，對(duì)照產(chǎn)甲烷活性和16S rDNA的分析結(jié)果可知，通過微電極對(duì)厭氧顆粒污泥內(nèi)部pH值微環(huán)境的測(cè)試，可以得到其內(nèi)部微生物種群的空間分布信息。

結(jié)論

采用微電極技術(shù)測(cè)試不同進(jìn)水培養(yǎng)的厭氧顆粒污泥，可得到污泥內(nèi)部微環(huán)境的pH值梯度，并推斷微生物種群的空間分布。微電極分析得到的結(jié)果與不同測(cè)試底物產(chǎn)甲烷活性結(jié)果和16S rDNA測(cè)序分析結(jié)果相一致，說明微電極技術(shù)可作為厭氧顆粒污泥內(nèi)部微環(huán)境分析和微生物種群空間分布研究的有力工具。