《Process Safety and Environmental Protection》：Bacterial multidimensional analyses lay out the setup of filling ratio in a split-mixotrophic denitrification system treating nitrate-dominated aquaculture wastewater
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本研究開發(fā)基于FeS2和聚己內(nèi)酯（PCL）的分置混合異養(yǎng)反硝化系統(tǒng)（PPMD）處理循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，探究FeS2與PCL體積比（V_F:PCL）對脫氮性能的影響。結(jié)果表明V_F:PCL=5:1時總無機(jī)氮去除效率達(dá)88.9±5.3%。網(wǎng)絡(luò)分析顯示PCL層菌群模塊化程度更高且正互作更強(qiáng)，共生關(guān)系維持系統(tǒng)高效性。關(guān)鍵菌屬（假單胞菌、玫瑰單胞菌、硫桿菌、硫氧化菌）在FeS2和PCL層分別富集。通過多維生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析揭示了菌群互作與代謝途徑關(guān)聯(lián)，闡明最佳V_F:PCL的調(diào)控機(jī)制。
Xihui Guo|Yujie Mao|Lingwei Kong|Guanghui Guo|Shiyang Zhang|Qinglong Wang|Yuhu Nie|Yufan Xie|Zhi Wang
武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，中國武漢430070
摘要
在循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）中，硝酸鹽的過度積累會對養(yǎng)殖生物和周圍的廢水接收環(huán)境造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。本研究基于黃鐵礦（FeS2）和聚己內(nèi)酯（PCL），開發(fā)了一種基于黃鐵礦+PCL的分裂混合營養(yǎng)反硝化（PPMD）系統(tǒng)，用于處理來自RAS的模擬硝酸鹽主導(dǎo)的廢水。研究的重點(diǎn)是探討黃鐵礦與PCL的體積比（VF:P）對混合營養(yǎng)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，在VF:P = 5:1時，總無機(jī)氮去除效率最高（88.9?±?5.3%）。網(wǎng)絡(luò)分析顯示，PPMD系統(tǒng)中黃鐵礦層的細(xì)菌群落特征比PCL層更復(fù)雜，后者表現(xiàn)出更高的細(xì)菌模塊性和更強(qiáng)的細(xì)菌正相關(guān)關(guān)系。PCL層中有機(jī)物降解與異養(yǎng)細(xì)菌之間的共生關(guān)系有助于維持PPMD系統(tǒng)的優(yōu)異性能。研究發(fā)現(xiàn)四種細(xì)菌屬（Pseudomonas、Roseomonas、Thiobacillus和Thiomonas）是不同填充層中的關(guān)鍵物種。本研究應(yīng)用多維分析來闡明PPMD系統(tǒng)中的細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和代謝途徑，旨在確定最佳VF:P值，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。
引言
與傳統(tǒng)養(yǎng)殖方法相比，循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）在土地和水資源利用方面具有更高的效率，這種效率的提升使得RAS在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用（Preena等人，2021年）。在RAS的水處理方面，大多數(shù)研究集中在氨氮（NH4+-N）或亞硝酸鹽氮（NO2--N）的去除上，但這往往導(dǎo)致水中硝酸鹽氮（NO3--N）的積累（Chen等人，2022b年）。為了降低RAS中的NO3--N水平，通常采用換水方法；然而，這種做法會導(dǎo)致大量的水資源消耗，并增加環(huán)境中的NO3--N污染（Gao等人，2020年）。此外，RAS廢水大多具有較低的碳氮比（C/N）。如果采用傳統(tǒng)的生物反硝化工藝進(jìn)行處理，通常需要補(bǔ)充外部碳源（Gao等人，2020年；Qi等人，2020年）。
最近，混合營養(yǎng)反硝化系統(tǒng)結(jié)合了自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化的優(yōu)點(diǎn)，在處理低C/N比廢水方面表現(xiàn)出更好的效果，特別是在降低對外部有機(jī)碳需求的同時實(shí)現(xiàn)了更高的氮去除效率（Guo等人，2024a年；Tong等人，2017年）。在各種電子供體中，聚己內(nèi)酯（PCL）因其較高的碳釋放率而被廣泛使用（Fang等人，2020年）。此外，基于黃鐵礦的自養(yǎng)反硝化（PAD）系統(tǒng)因其低成本和產(chǎn)生的污泥量少而受到關(guān)注（Chen等人，2023年）。因此，結(jié)合PCL和黃鐵礦的分裂混合營養(yǎng)反硝化系統(tǒng)得到了廣泛研究，顯示出優(yōu)異的處理效率（Zhu等人，2024年）。例如，Yuan等人（2023年）和Guo等人（2024a年）發(fā)現(xiàn)，使用分裂混合營養(yǎng)（黃鐵礦 + PCL）系統(tǒng)（PPMD）可以實(shí)現(xiàn)超過98%的平均NO3--N去除效率（NRE）。此外，Zhu等人（2024年）報(bào)告稱，混合營養(yǎng)反硝化系統(tǒng)能夠有效抵抗抗生素帶來的外部環(huán)境干擾，保持高效穩(wěn)定的處理性能。
此外，PPMD系統(tǒng)的處理成本和性能可能會隨著黃鐵礦或PCL填料體積的不同而變化。一般來說，由于異養(yǎng)反硝化的效率高，增加混合營養(yǎng)系統(tǒng)中的固體碳源量可以提高反硝化效率；然而，這可能導(dǎo)致有機(jī)碳源的過度消耗或浪費(fèi)（Qi等人，2020年）。此外，Zhou等人（2022b年）指出，在結(jié)合黃鐵礦和聚3-羥基丁酸-羥基戊酸（PHBV）的構(gòu)建混合營養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中，當(dāng)黃鐵礦與PHBV的質(zhì)量比為2:1時，反硝化效率最高（99.7%），在1:1–2:1的范圍內(nèi)�；谶@些發(fā)現(xiàn)，我們認(rèn)為增加PPMD系統(tǒng)中的PCL裝載量不僅會增加填充成本，也無法進(jìn)一步提高反硝化效率。因此，我們假設(shè)存在一個最佳的黃鐵礦與PCL的體積比（VF:P），以在系統(tǒng)的PCL填充量和反硝化能力之間達(dá)到最佳平衡，從而以最低的填充成本實(shí)現(xiàn)最高的氮去除效率。
值得注意的是，黃鐵礦和PCL的共存在PPMD系統(tǒng)中創(chuàng)造了復(fù)雜的電子供體環(huán)境，某些功能細(xì)菌在這些特定條件下可能具有相對的優(yōu)勢。例如，Yuan等人（2023年）報(bào)告稱，Thiobacillus和Syntrophomonas分別在黃鐵礦層和PCL層的生物膜中相對豐富。然而，遺憾的是，迄今為止的大多數(shù)研究僅對PPMD系統(tǒng)中的主要功能細(xì)菌進(jìn)行了分類，忽略了不同填料表面細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的全面分析以及低豐度關(guān)鍵物種的鑒定（Guo等人，2024a年；Yuan等人，2023年；Zhu等人，2024年）。此外，根據(jù)它們的營養(yǎng)模式，細(xì)菌可以在不同的填料表面上聚集形成特定的生態(tài)位，從而形成專門的“模塊”，即功能性的細(xì)菌組合（例如，用于反硝化或有機(jī)物降解）（Zou等人，2024年）。徹底研究每個細(xì)菌模塊內(nèi)的物種組成及其之間的潛在相互作用對于闡明系統(tǒng)的處理效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。此外，基于黃鐵礦的分裂混合營養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中黃鐵礦和有機(jī)碳源的共存可能促進(jìn)完整的硫/鐵循環(huán)（Zhou等人，2022a年）。這些循環(huán)過程與系統(tǒng)中的反硝化和碳代謝密切相關(guān)，可能是分裂混合營養(yǎng)反硝化系統(tǒng)功能的關(guān)鍵機(jī)制。然而，具體的耦合和調(diào)控機(jī)制，特別是耦合如何響應(yīng)填料比例的變化，目前仍不清楚。監(jiān)測硫酸鹽和溶解鐵濃度的變化，并結(jié)合功能細(xì)菌/基因的分析，將有助于闡明系統(tǒng)中碳、氮、硫和鐵代謝之間的相互作用機(jī)制。
為了解決上述不確定性，本研究將黃鐵礦與PCL結(jié)合，構(gòu)建了一個PPMD系統(tǒng)。主要目標(biāo)是：1）研究VF:P對系統(tǒng)性能的影響，并確定最佳運(yùn)行條件；2）探討VF:P如何影響細(xì)菌群落組成和功能基因譜型，并通過分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（MEN）分析細(xì)菌與功能基因之間的可能相互作用；3）進(jìn)行模塊分析，并根據(jù)細(xì)菌MEN識別與代謝過程相關(guān)的關(guān)鍵細(xì)菌/功能基因。通過上述分析，本研究試圖為未來PPMD系統(tǒng)中優(yōu)化VF:P的設(shè)置奠定基礎(chǔ)。
反應(yīng)器構(gòu)建
反應(yīng)器是一個圓柱形有機(jī)玻璃容器，內(nèi)徑為50毫米，高度為550毫米（圖S1）。模擬的RAS廢水通過底部入口進(jìn)入反應(yīng)器，依次流經(jīng)礫石支撐層、填充有黃鐵礦的部分、填充有PCL的部分，最后是未填充的區(qū)域。礫石支撐層（高度：100毫米）填充了粒徑為2–4毫米的礫石，以支撐填充材料并促進(jìn)水流均勻
氮的變化
本研究評估了六個不同的黃鐵礦與PCL的體積比（VF:P值（1:0、5:1、2:1、1:1、1:2和1:5；分別稱為處理組R1至R6）對反硝化效率的影響（圖S2(a)和(b)）。R2-R6組的NRE顯著高于R1組（圖1(a)）。天然黃鐵礦具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)和低溶解度，這限制了PAD系統(tǒng)的反硝化能力（Chen等人，2023年）。在本研究中，R2-R6組在黃鐵礦中添加了PCL。多種電子供體的存在
結(jié)論
與單獨(dú)的PAD系統(tǒng)相比，PPMD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高的反硝化效率，并有效減少了NO2--N或SO42-的產(chǎn)生。在VF:P為5:1時，PPMD系統(tǒng)的反硝化效率達(dá)到88.9?±?5.3%，且PCL填充比例較低。細(xì)菌群落分析顯示，變形菌門（Proteobacteria）是主要的細(xì)菌門類，關(guān)鍵的功能菌屬在黃鐵礦表面（Thiobacillus和Rhodanobacter）和PCL表面（Actinomadura）得到選擇性富集
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Yujie Mao： 數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理。
Lingwei Kong： 文章撰寫——審稿與編輯、資金獲取。
Guanghui Guo： 監(jiān)督、概念構(gòu)思。
Shiyang Zhang： 文章撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督。
Qinglong Wang： 實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析。
Yuhu Nie： 數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理。
Yufan Xie： 數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理。
Zhi Wang： 文章撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、資金獲取。
Xihui Guo： 初始草稿撰寫、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)管理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了國家自然科學(xué)基金（編號：U23A2059；32471696）和杭州市重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目（編號：2024SZD1B25）的財(cái)政支持。
