RBER生物降解溴酸盐及微生物群落结构分析
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【摘 要】溴酸盐是一种致癌性物质，其是由含有溴离子的水体经过臭氧或加氯消毒后产生的消毒副产物。为了探索溴酸盐降解的有效方法，论文从溴酸盐的形成机制入手，设计了一种旋转电极生物膜反应器（RBER）系统，试图将溴酸盐还原为溴离子。结合实验过程来看，溴酸盐和硝酸盐对氢电子供体存在明显的竞争关系，且后者的竞争能力要稍强于前者。基于此，论文分别对不同阶段生物膜的微生物群落多样性进行了分析，确定了其中的优势菌群。
【Abstract】Bromate is a kind of carcinogenic substance， which is a disinfection by-product produced by ozone or chlorine disinfection of water containing bromate ion. In order to explore an effective method for the degradation of bromate， the paper starts with the formation mechanism of bromate and designs a rotating biofilm-electrode reactor （RBER） system to attempt to reduce bromate to bromine ion. According to the experimental process， bromate and nitrate have obvious competitive relationship with hydrogen electron donor， and the competitive ability of the latter is slightly stronger than the former. Based on this， the paper respectively analyzes the microbial community diversity at different stages of the biofilm， and identifies the dominant bacterial communities.
【關键词】溴酸盐;RBER;微生物群落
【Keywords】 bromate; RBER; microbial communities
【中图分类号】X172 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）01-0160-02
1 引言
溴酸盐在水体中的稳定性较强，基本上很难实现自然降解，由于其具有致癌性，会对人体产生极大的危害，因此，我国在GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中对溴酸盐的最大浓度进行了明确规定和限制。基于溴酸盐具有的非挥发性、高溶解性以及强氧化性等特点，人们开发出了利用微生物对其进行降解以修复溴酸盐污染水体的技术。
2 溴酸盐的形成机理分析
臭氧作为一种强氧化剂，在对一些环境危害性较大的药物降解中可以发挥出有效的作用，同时，还可以起到消毒的作用，消除水体中普通消毒剂无法灭杀的原生动物。在当前阶段，臭氧氧化是水处理过程中应用十分广泛的一种手段，但若是遇到含有溴离子的水，在处理过程中会生成副产物溴酸盐，该物质具有致癌性和突变性，如何有效解决这一问题是现阶段该领域研究的重点。
结合现有研究成果来看，含有溴离子的水体经过臭氧氧化所产生的溴酸盐（BrO3-）副产物是通过臭氧和羟基自由基（·OH）联合反应完成的，在化学反应发生的过程中，溴元素经历了多次状态变化，涉及的化学式包括Br-、OBr-、BrO2-、BrO3-等。其中，由于臭氧分子和·OH这两种氧化剂可以同时或顺序对溴离子进行氧化，导致整个反应过程的内容变得十分复杂[1]。共有三种途径：第一，直接由臭氧分子完成氧化;第二，先由臭氧分子氧化，再由·OH氧化;第三，先由·OH氧化，再由臭氧分子氧化。在第一种途径下，溴离子会被臭氧依次氧化为BrO-、BrO2-以及最终的副产物BrO3-。在第二种途径下，Br-首先被氧化为BrO-，之后和·OH发生反应生成BrO2-，之后被继续氧化为BrO3-。在第三种途径下，Br-首先被·OH氧化为BrO·并持续反应生成BrO2-，之后被臭氧氧化形成溴酸盐。
3 实验研究的材料和方法
3.1 实验材料的选用
本次实验所选用的主要材料为添加NaNO3和NaBrO3的自来水，并在其中投加了一定量矿质元素和其他微量元素，更好地模拟进水，具体包括H3BO3、KI、CoCl2·2H2O、Na2SeO3等。
3.2 实验装置及其运行机制
本次研究设计了一种旋转电极生物膜反应器（RBER）辅助实验开展。在实验过程中，将活性炭纤维的阴极设计为自动旋转型，这样可以有效提升微生物在阴极上的挂膜速率。为了使溶液的初始酸碱度符合要求，特意使用浓度均为0.1mol/L的H2SO4和NaOH对其进行适当调节[2]。
微生物接种选择的某污水处理厂的剩余活性污泥，具体处理步骤如下：首先将污泥静置0.5h，之后去除上清液。在处理完成后取出0.5L放置在反应器内，并定期向其中添加特定浓度的硝酸盐培养液。系统内部的水温应维持在30℃，注意在培养的前五天不能将电极接通电源，使微生物充分消耗污泥中含有的碳源。电源选择强度为10mA的恒定电流，进水水流停留时间设定在12h，进行连续流缺氧培养半个月。在此期间，应以24h为周期向其中填充氮气，使反应器内部始终保持厌氧环境。期限达到之后，若反应器出水的pH值保持在6.5～8.0，且硝酸盐的去除率达到70%以上，即代表驯化完成，此后可不需要向其中填充氮气。之后向进水中添加一定浓度的溴酸盐，同时，逐步将硝酸盐的进水浓度降到零。除驯化期外，反应器系统运行还可以分为五个阶段，分别以A、B、C、D、E代表，则整个运行周期共有六个阶段。 3.3 具体分析方法介绍
第一，对反应器系统的进出水污染物的浓度进行测定。对于出水样品，使用聚二氟乙烯膜进行过滤处理后使用离子色谱仪对其中溴酸盐、溴、硝酸盐等各类离子浓度进行测定。第二，生物膜样品的采集及基因组DNA提取。为了研究反应器系统中生物膜样品菌群的富集程度以及种属组成，应使用灭菌双面刀片通过刮取的方式获得原始污泥样品，装入无菌Eppendorf管中，之后分别对RBER系统运行不同阶段进行取样，同样是采用灭菌双面刀片在活性炭毡阴极刮取7g左右的纤维丝，然后将其置入离子水中通过涮洗的方式去除其上附著的非电极微生物或杂质，最后装入无菌的Eppendorf管中，并分别进行数字编号对应各个阶段。对于采集的生物膜样品则需要使用扫描电镜进行分析，并提取样品的基因组DNA进行分析。第三，PCR扩增和高通量测序。将从生物膜样品中提取的基因组DNA作为模板，合成带有标记物的特异引物。对PCR引物中标签序列的插入位置进行标记，为测序位置的识别提供依据。PCR的扩增产物使用2%的琼脂糖凝胶进行电泳检测。之后对DNA进行回收，再进行高通量测序。在对微生物群落结构进行分析时，需要使用高通量测序仪、高速离心机、小型离心机、PCR仪、电泳电源、扫描电镜、凝胶成像系统、高压蒸汽灭菌锅、超净工作台等相关设备。
4 实验结果的分析讨论
4.1 反应器不同运行周期结果分析
微生物接种并驯化完成后，反应器运行进入A阶段，该阶段开始向系统内部加入溴酸盐。当反应器完成对溴酸盐的稳定去除之后，开始增加溴酸盐的进水负荷。在A阶段进水中投加150μg/L的溴酸盐，通过出水检测并未发现溴酸盐，同时，反应器中也未发现溴离子，但出水中亚硝酸盐的浓度却出现了提升，由此可见，投入的溴酸盐主要是被微生物膜所吸附，并未发生降解，原因是未检测到还原产物溴离子。亚硝酸盐浓度增长的原因是溴酸盐对自养反硝化过程产生了影响[3]。
在进入B阶段之后，进水投加的溴酸盐为400μg/L，通过检测发现溴酸盐全部被还原，出水中含有等量的溴离子，这说明微生物能够良好适应溴酸盐的负荷，并将其还原降解为溴离子。
在反应器进入C阶段时，基本上形成较为稳定的运行状态，此时将进水中硝酸盐的浓度以及溴酸盐的浓度均提升一倍，从25mg/L和400μg/L分别提升到50mg/L和800μg/L。从检测结果来看，此时系统出水中溴酸盐的浓度开始增长，达到80μg/L，已经远远超过我国国家标准。同时，出水中亚硝酸盐的累积量也开始出现增长趋势，可见本阶段溴酸盐和硝酸盐的降解效率已经开始走低，据分析，可以推测出现这种现象的主要原因是电子供体（H2）开始出现不足。结合其他研究成果可以提出假设，在溴酸盐负荷较高的情况下，硝酸盐会与溴酸盐竞争电子供体，一旦电子供体出现不足，必然会对溴酸盐的降解产生不利影响[4]。
4.2 生物膜分析
在反应器运行的过程中，通过扫描电镜可以发现，在运行的不同阶段，生物膜样品的表面形态也存在一定的差异性。其中，原始污泥呈紧密结合的块状。2号生物膜则已经完全覆盖阴极的活性炭纤维，之后的3、4、5号样品的生物膜结合更加紧密，这表明生物膜上的微生物一直在持续生长，相应的对溴酸盐的降解能力也在持续提升。最后的6号样品生物膜则呈现出丝状，其形貌和其他样品之间存在较大的差异性，说明此时生物膜上的微生物群落相较于其他样品已经发生了质变。
5 结语
结合本次实验结果来看，在使用旋转电极生物膜反应器对溴酸盐进行降解的过程中，硝酸盐和溴酸盐对电子供体存在竞争关系，且前者的竞争能力强于后者。溴酸盐的降解是复合菌群作用的结果，随着运行时间的增加，菌属多样性逐渐降低，优势菌包括枯草杆菌属、假单胞菌属以及乳球菌属三类。
【参考文献】
【1】钟宇，杨麒，李小明，等.RBER生物降解溴酸盐及微生物群落结构分析[J].中国环境科学，2017，37（05）：1945-1953.
【2】李灵娜.电极生物膜研究概述[J].生物技术世界，2012，10（12）：73+75.
【3】钟宇.化学和电化学-微生物偶联法降解溴酸盐的研究[D].长沙：湖南大学，2016.
【4】鲁金凤，张勇，王艺，等.溴酸盐的形成机制与控制方法研究进展[J].水处理技术，2010，36（11）：5-10.
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