关键词:
生化水处理技术
胞外电子传递
材料表面电场
难降解污染物
抗性基因
摘要:
针对污废水中难降解污染物处理过程中存在的低效高耗问题,本研究提出构建材料表面电场(SEF)介导微生物胞外电子传递强化废水净化体系,通过搭建小型填料生物反应器进一步处理经生化处理后具有较低生化性的厨余-油污废水和制药废水,研究具有表面电场特征材料(HCLL-S8-M)对不同废水的降解效能;以负载基体材料Al2O3作为对比,借助材料表征手段阐明生物反应器中反应前后材料表面物质结构变化及电子传递特征;应用多组学分析阐明不同体系中微生物群落响应及代谢途径变化,揭示污染物-材料表面电场-微生物间电子传递过程,明晰污染物降解机制。研究构建的材料表面电场介导微生物胞外电子传递强化废水净化体系,推动了高效经济、绿色节能的废水生物处理技术发展,为实现高效率低能耗难降解废水处理的工程应用提供科学依据。
主要研究结论如下:
(1)对于有机物浓度高、成分复杂、污染物难处理的厨余-油污废水,具有表面微电场的HCLL-S8-M材料作为填料处理后其降解率可达60%,相比工业γ-Al2O3材料(50%)具有更好的处理效果。HCLL-S8-M表面电场吸附污染物电子离域至材料表面,离域电子通过表面电场传递至微生物,这一过程降低污染物降解能垒,使其转化为可被微生物利用的C源;材料界面充当胞外电子传递介质,为富集的电活性微生物提供电子以提高代谢。体系内电活性微生物(Shewanlla、Geobater)、降解菌种间电子传递及胞内代谢增强,利用废水中可降解有机物及污染物裂解中间产物进行互养共代谢,细胞色素c、核黄素等电子传递途径基因上调,加速污染物降解,提高废水降解效率。而Al2O3填料利用结构中的Al空位与胞外聚合物(EPS)络合导致生物膜中电子偏移,E PS与微生物之间形成电荷非平衡态,微生物加速获取外部电子维持平衡。Al2O3表面富集高效降解菌,光合异养呼吸强度升高加速胞内物质和能量代谢,强化了微生物对污染物的降解速率。材料表面电场建立了污染物、微生物间新的电子传递途径,为难处理有机废水的处理提供了新的思路。
(2)对于可生化性低、化学需氧量较低、携带抗性基因传播潜能的制药废水,以HCLL-S8-M材料为填料的体系处理后降解率可达到30%,相对γ-Al2O3材料(26%)抗性基因显著下调,与之相关性较强的部分菌属丰度下降,对抗性基因在环境中的传播起到抑制作用。体系中HCLL-S8-M材料表面电场通过吸附源水中污染物,使其电子离域,降低了污染物断键能垒,易被微生物利用,并且污染物发生裂解形成非抗菌小分子,减少对微生物的直接胁迫,对抗性基因的传播起到抑制作用;同时,表面电场导致电活性微生物富集,种间电子传递途径相关基因上调,通过强化胞外电子传递代谢途径,提高废水降解效率。Al2O3表面Al3+离子空位与微生物EPS络合,电子分布不均匀使得微生物捕获电子的潜能升高,高效降解菌富集于材料表面,微生物整体代谢水平提高,Al2O3仅为生物膜形成提供载体,与污染物之间不存在直接作用,未降低抗性基因在环境中的传播。
HCLL-S8-M构建的表面电场介导微生物胞外电子传递强化废水净化系统在处理不同特征污废水过程中都具有良好的效果,该高效率低能耗的新型废水净化技术为难降解废水的可持续管理提供新方向,对保护水体环境具有重要意义。