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工业废水处理新发现！宏基因组学揭开高效脱氮密码 Engineering |
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论文标题：Metagenomic Insight Reveals the Microbial Structure and Function of the Full-Scale Coking Wastewater Treatment System: Gene-Based Nitrogen Removal
期刊：Engineering
DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.019
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同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室褚华强教授团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Metagenomic Insight Reveals the Microbial Structure and Function of the Full-Scale Coking Wastewater Treatment System: Gene-Based Nitrogen Removal”（宏基因组学揭示全规模焦化废水处理系统的微生物结构与功能——基于基因水平的脱氮机制）研究性文章，通过宏基因组学与长期监测，系统阐明了全规模焦化废水处理系统的微生物脱氮机制。同济大学环境科学与工程学院马佳莹博士为第一作者，褚华强教授为通讯作者。
钢铁工业已成为中国经济的支柱产业之一。2021年，中国的粗钢产量达到10.328亿吨，占全球总产量的52.95%。随着粗钢产量的增加，焦炭需求不断增长，导致焦化废水排放量持续增加。焦化废水（CWW）含有高浓度难降解的污染物，如酚类化合物、杂环芳烃、多环芳烃（PAHs）和氨氮等，是中国最难处理的工业废水之一。在焦化废水生物处理系统中，微生物群落在污染物去除和系统稳定性维持方面起关键作用，但目前对其结构和功能的了解仍然不足。
图 1. 焦化废水处理主要工艺的示意图。
该研究聚焦上海某钢厂的全规模焦化废水生物处理系统，焦化废水原水经溶剂脱酚和蒸氨工艺组成的预处理系统处理，再经生物处理系统，出水进入由混凝和终沉组成的三级处理系统（图）。研究人员对四个连续生物反应池，即缺氧1/好氧1/缺氧2/好氧2（A1/O1/A2/O2）进行了为期五个月的调查，以阐明其运行性能和微生物特征 。 在五个月的时间里，研究人员从四个生物反应池中收集活性污泥进行16S rRNA测序和宏基因组测序，实现以下目标：
①评估全规模A1/O1/A2/O2系统处理焦化废水的长期运行性能和稳定性；
②识别关键微生物群落和潜在的污染物去除代谢途径；
③揭示氮转化代谢过程、关键酶和功能基因；
④揭示氮转化过程的功能微生物及其对环境因子的响应。
研究结果表明，A1/O1/A2/O2 在脱氮方面表现出色且稳定。最终生物出水中的总氮[TN;(17.38 ± 6.89) mg/L]和氨氮[NH4+-N; (2.10 ± 1.34) mg/L]均符合国家标准。16S rRNA测序和宏基因组测序的综合分析显示，A1和O1的细菌群落和基因功能特征相似，而A2的细菌群落结构与其他生物反应器显著不同（p < 0.05）。结果表明，微生物活性与活性污泥功能密切相关。Nitrospira、Nitrosomonas和SM1A02在初级缺氧-好氧（A1/O1）阶段参与硝化过程，Azoarcus和Thauera在A2中是重要的反硝化菌。A1/O1/A2/O2系统中的氮转化相关酶和基因在脱氮过程中发挥重要作用。催化羟化脱q氢酶（EC 1.7.2.6）基因hao和硝化还原酶（EC 1.9.6.1）基因napA和napB在初级A1/O1和二级A2/O2阶段的硝化和反硝化过程中起重要作用。混合液悬浮固体（MLSS）/总固体（TS）、总氮（TN）去除率（RR）、总有机碳（TOC）去除率和氨氮（NH4+-N）去除率是影响细菌群落结构和氮转化基因的重要环境因素。
此项研究加深了对全规模A1/O1/A2/O2焦化废水处理系统中微生物生态的了解，对于全规模焦化废水生物处理过程的高效和稳定运行至关重要，有助于工程师和生态学家在面对环境变化时改善系统运行性能和管理效率。该成果不仅为钢铁行业焦化废水处理提供了可复制的技术方案，也为其他高氨氮工业废水处理系统的优化提供了新思路。
论文信息：Jiaying Ma, Fan Wang, Haifeng Fan, Enchao Li, Huaqiang Chu, Xuefei Zhou, Yalei Zhang. Metagenomic Insight Reveals the Microbial Structure and Function of the Full-Scale Coking Wastewater Treatment System: Gene-Based Nitrogen Removal. Engineering, 2024, 36(5): 76–89
开放获取：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.019
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