【园区污水处理专题】基于MMI技术对印染废水中 NP 降解关键功能菌群的识别、构建与评估

文章来源： 《工业水处理》2023年第11期

第一作者 ：杨庆

通讯作者 ：黄开龙

合作单位 ：广州大学大湾区环境研究院，珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室；南京江岛环境科技研究院有限公司

磁性纳米粒子介导分离（MMI）技术无需对底物进行标记即可从复杂微生物系统中分离具有活性的功能微生物菌株/菌群，是筛选获取特定功能微生物并丰富完善微生物种质资源的有力工具。

针对印染废水特征污染物壬基酚（NP）的污染问题，基于 MMI 技术进行功能微生物驯化富集与筛选识别，构建了 NP 关键降解功能菌群，并评估了其对实际印染废水中 NP 的去除效能。

结果表明，驯化污泥中假单胞菌属（Pseudomonas）、水形杆菌属（Undi⁃bacterium）、贪铜菌属（Cupriavidus）、unclassified_Enterobacteriaceae和 Clostridium_sensu_stricto 被识别为 NP 降解关键功能菌属。通过纯培养筛选获得 5 株 NP 降解关键功能菌，其对 NP 降解率均在 70% 以上；

通过筛选菌株构建了 NP降解复合功能菌群，其对 NP 降解率可达 96.87%，最佳应用条件为 pH 6.87、温度 30.16 ℃、摇床转速 141.57 r/min。

复合菌群对实际废水中低质量浓度 NP（1 mg/L）的降解过程符合一级动力学反应模型，NP 半衰期为（7.69±0.05） h；对高质量浓度 NP（200 mg/L）的降解过程符合零级动力学反应模型，NP 半衰期为（3.11±0.11） d。复合菌群处理可显著降低实际废水的急性毒性和类雌激素效应。

壬基酚（NP）作为使用量大、污染范围广、生物累积性和内分泌干扰活性强的一类烷基酚物质，是最典型的烷基酚类内分泌干扰物，已被联合国环境保护署确定为优先控制污染物，同时也被欧盟列为13 种优先控制的有毒污染物之一。环境中的NP严重威胁动植物的生长与安全。NP可导致鱼类急性致死效应，抑制种子发芽和生长，并可通过抑制雌激素与其受体的结合破坏哺乳动物激素系统的正常功能。 因此，对废水中NP的高效去除意义重大。

本研究基于MMI技术对印染废水好氧污泥进行富集分离，结合分子生物学技术，识别并获得NP降解的关键功能菌，并依据其相对丰度比例构建复合功能菌群，同时评估复合功能菌群对印染废水中NP的降解效率和毒性削减效果，以期为印染废水中NP的高效降解提供微生物种质资源，为印染废水中特征污染物的生物强化降解以及废水毒性的深度削减提供新的解决方案和技术思路。

（1）MNPs 的合成及功能化。 采用改进后的化学沉淀法进行MNPs的合成。将2.0 mL 1 mol/L 的氯化铁和0.5 mL 2 mol/L的氯化亚铁水溶液混合并剧烈搅拌，之后滴加25 mL 2 mol/L的氢氧化钠溶液，持续搅拌约30 min。用永磁体对反应溶液进行分离得到磁性纳米颗粒（MNPs）沉淀，弃去上清液，用与上清液等体积的去离子水重复洗涤分离，直至MNPs 溶液的pH 为7，获得MNPs溶液。取5 mL上述 MNPs 溶液，将其加入到45 mL 10 g/L 的PAAH 溶液中，超声稳定60 min。然后放入离心机离心10 min，弃去上清液后将颗粒重悬在50 mL去离子水中并涡旋分散，之后溶液经0.22 µm 滤膜过滤后得到功能化磁性纳米颗粒（PAAH-MNPs）。

（2）基于 MMI技术的功能菌群富集。 取江苏省宜兴市3个印染厂（ZX、YZ、WX）废水处理流程中好氧池的活性污泥进行富集培养，污泥于4 000 r/min转速下离心10 min，取离心后固体3 g于干净的锥形瓶中，加入90 mL过膜后的 PAAH-MNPs 溶液，用涡旋振荡器使污泥均匀分布在 PAAH-MNPs 溶液中，之后常温下将其置于摇床中以150 r/min转速振荡20 min后转移至干净的离心管中，用永磁体吸附沉淀，弃去上清液，加入与上清液等体积的无菌水洗涤，再次在 4 000 r/min 转速下离心10 min，弃去上清液，将离心后固体转移至锥形瓶中。向锥形瓶中加入 NP-乙醇溶液，使混合液中NP质量浓度为50 mg/L，于28 ℃置于摇床中以150 r/min转速驯化一周。驯化结束后用永磁体分离，取 5 mL 分离后的悬浊液用无水乙醇按 1∶1 体积比保存用于 DNA 提取，剩余悬浊液重新功能化培养，提升NP 驯化质量浓度至200 mg/L，置于摇床中于28 ℃、150 r/min条件下驯化一周，之后取 5 mL分离后的悬浊液用无水乙醇按 1∶1 体积比保存同样用于DNA 提取，剩余悬浊液用于NP降解菌株的筛选。

（3）16S rRNA 高通量测序和微生物群落结构分析。 分别采集驯化前及驯化过程中的污泥样本，运用 DNA 提取试剂盒提取活性污泥的总DNA并进行16S rRNA（V3~V4 区）高通量测序，并评估每个样本物种组成的相似性。结果表明，基于MMI富集分离方法从不同印染废水活性污泥中富集的优势菌包括unclassified_Enterobacteriaceae（30.17%）、Pseudomonas（28.63%）、Undibacterium（9.32%）、Clostridium_sensu_stricto（10.32%）、Cupriavidus（9.45%）、Janthinobacterium（7.55%）、Brevundimonas（5.63%），其中unclassified_Enterobacteriaceae、Pseudomonas、 Undi⁃bacterium、Clostridium_sensu_stricto、Cupriavidus为主要的碳代谢菌株，是潜在的NP降解关键功能菌属。

（4）NP降解菌的筛选、鉴定及功能菌群构建。 分别取不同印染厂驯化完成的好氧污泥悬浊液，经稀释后按浓度梯度从低到高均匀涂布到 NP 筛选培养平板中，放于生化培养箱内倒置培养。挑取颜色、形态、大小不同的单菌落，于LB固体培养基上划线培养至获得单一菌落并通过 16S rDNA 技术进行分子鉴定，将所获序列在 NCBI 数据库中进行BLAST搜索同源序列比对，构建系统发育树，确定细菌种属。经上述操作后获得NP降解关键功能菌 Pseudomonas veronii strain ZXB-2、Pseudomonas sivasensis strain WXB-4、Cupriavidus basilensis strain YZB-1、Enterobacter mori strain WXB-3、Enterobacter mori strain WXB-2，其对 200 mg/L NP 的降解率分别为 86.67%、82.53%、72.7%、80.38%、74.81%；由此构建 NP 降解复合功能菌群，该菌群对 200 mg/L NP降解率达 90% 以上。

（5）复合功能菌群对实际废水中NP的降解动力学研究。 复合菌群降解实际废水中低质量浓度NP（1 mg/L）的过程较符合一级动力学模型，NP半衰期为（7.69± 0.05） h；降解实际废水中高质量浓度NP（200 mg/L）的过程较符合零级动力学模型，NP半衰期为（3.11±0.11） d。

（6）复合功能菌群对实际废水毒性削减研究。 分别采用国家标准《水质急性毒性测定 发光细菌法》（GB/T 15441— 1995）的优化方法和重组酵母 Saccharomyces cerevisiae BLYES 培养法测定发光细菌急性毒性和类雌激素效应。结果表明，复合功能菌群对实际废水（采集自江苏省宜兴市某印染厂废水处理工艺的好氧池进水，加入NP-乙醇储备液使废水中NP质量浓度分别为 1、200 mg/L）的脱毒效果显著，低质量浓度NP（1 mg/L）废水经处理后，急性毒性和类雌激素效应分别降低64.29% 和76.47%；高质量浓度NP（200 mg/L）废水经处理后，急性毒性由高毒降为低毒，毒性降低了 58.21%，类雌激素效应降低了88.34%。

第一作者： 杨庆，硕士，工程师，主要从事工业废水生物强化处理技术研发及基于生物信息学的功能微生物深度解析工作。E-mail：。

通讯作者 ：黄开龙，博士，高级工程师。主要研究方向为环境微生物组学与废水处理功能菌剂、废水处置与资源化利用技术及工程应用。主持/参与国家科技支撑计划、水体污染控制与治理科技重大专项、国家自然科学基金青年基金项目、江苏省重点研发计划（社会发展）重大科技示范项目、江苏省水利科技项目等科研项目10余项。发表SCI近20篇；授权PCT（日本）专利2项，授权国家发明专利15项，授权实用新型专利17项。参编行业标准1项、团体标准14项、江苏省地方标准1项。研发了硝化、耐盐反硝化、COD降解、微污染物降解等功能菌剂及其应用保障技术。E-mail：huangkl@nju-jd.com。

（ 来源 ：《工业水处理 》 2023年第11期 ）

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