厌氧颗粒污泥实质上是多种微生物的聚集体，水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌以及产甲烷菌组成了一个互营共生的微生态系统。在厌氧颗粒污泥中，厌氧微生物生态系统不断演化的过程受多种因素的影响，如废水性质、污泥负荷率、系统的选择压、pH值和温度等。不同的环境条件所培养出的污泥的微生物种群结构和空间分布不同，所以有机物降解途径不同，表现为各个厌氧颗粒污泥的微环境差异。


厌氧颗粒污泥微环境的研究对于揭示厌氧颗粒污泥形成和结构具有重要意义，基于分子生物学方法的PCR和荧光原位杂交(FISH)等技术常用于微生物群落和空间分布的分析，但这些技术难以提供微生物在聚集体中的原位活性信息。而微电极恰可以弥补不足，微电极技术是20世纪七八十年代兴起的一种分析手段，其尖端可低至1μm以下，因此具有很高的空间分辨率，是测定极小体积(微米范围)对象的微小浓度变化的特殊工具。微电极能够原位监测颗粒污泥内部底物、中间和最终产物浓度的空间变化，进而确定微生物活性和不同种群微生物的空间分布情况。


笔者针对蔗糖、丁酸、乙酸为进水底物培养的厌氧颗粒污泥，基于不同有机物厌氧降解途径差异引起颗粒污泥内部pH值的变化，用实验室自制的pH值离子选择性液膜微电极对3种厌氧颗粒污泥的微结构进行研究，并对3种污泥进行16S rDNA测序分析其种群结构，同时测试污泥的产甲烷活性，以揭示颗粒污泥的形成、结构与进水组成的关系。


实验装置


实验采用3个有机玻璃制成UASB反应器，内径D为80 mm，三相分离器以下高h为520 mm，有效容积约3 L。反应器进水管管口向下，废水泵入后经反应器底部的反射作用，能较均匀的与反应区污泥相混合，避免短流和沟流现象。反应器整体置于恒温室内，将水温控制在30℃±1℃。


接种污泥及进水水质


接种污泥为咸阳市某造纸厂的IC反应器底部颗粒污泥，污泥VS/TS=70.9%，3个反应器接种相同量的污泥，反应器内污泥初始浓度为12.3 gVSS·L-1。


UASB反应器进水采用自配的合成废水，1号，2号和3号反应器(以下依次称为R1，R2和R3)分别以蔗糖、乙酸和丁酸为单一碳源，稳定运行后其浓度均为3 gCOD·L-1。R1用NaHCO3调节碱度，其浓度为3 g·L-1，R2和R3的酸均用NaOH中和，控制进水pH值不低于6.5；此外，3个反应器的进水中均投加等量的营养物质、微量元素和酵母粉。


微电极测试系统


UASB稳定运行后，取污泥样品于微型模拟反应槽，其进水水质模拟反应器条件，通过向微型槽吹氮气保持污泥的厌氧环境，用pH微电极测量污泥并采集数据。

R2反应器(底物乙酸)中颗粒污泥采用不同测试底物时内部pH值梯度


讨论


由于厌氧消化涉及的水解酸化、产氢产乙酸、同型产乙酸和产甲烷四大微生物种群对有机物的降解会引起周围微环境中pH值的改变，可以根据厌氧颗粒污泥内部pH梯度推断不同种群微生物的空间分布，将pH微电极的测试结果与微生物种群分析的直接结果对照，可以得出更为准确的判断。


根据表1产甲烷活性测试结果和16S rDNA测序分析结果，反应器R1中以蔗糖为底物培养的颗粒污泥内部微生物种群最为丰富，因此微电极测试曲线中颗粒污泥内部pH值从表层到核心先降低(蔗糖水解酸化和VFA产氢产乙酸)，后升高(利用乙酸产甲烷)的趋势，这说明在该种污泥中，水解酸化和产氢产乙酸菌分布在污泥外层，而利用乙酸的产甲烷菌分布在污泥核心。反应器R2中以乙酸为底物培养的颗粒污泥内部微生物种群最为简单，细菌种群类别少，只能以乙酸盐为底物的甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)和甲烷八叠球菌(Methanosarcina)占古菌的近90%。由于能够降解蔗糖和丁酸的细菌数量少，所以蔗糖和丁酸为测试底物时厌氧颗粒污泥内部pH值梯度很小。反应器R3中以丁酸为底物培养的颗粒污泥内部微生物种群较蔗糖污泥简单，但比乙酸污泥复杂。在该种污泥中同样能够降解蔗糖的细菌数量少，所以蔗糖为测试底物时厌氧颗粒污泥内部pH值梯度很小。


因此，对照产甲烷活性和16S rDNA的分析结果可知，通过微电极对厌氧颗粒污泥内部pH值微环境的测试，可以得到其内部微生物种群的空间分布信息。


结论


采用微电极技术测试不同进水培养的厌氧颗粒污泥，可得到污泥内部微环境的pH值梯度，并推断微生物种群的空间分布。微电极分析得到的结果与不同测试底物产甲烷活性结果和16S rDNA测序分析结果相一致，说明微电极技术可作为厌氧颗粒污泥内部微环境分析和微生物种群空间分布研究的有力工具。