Развитие микробных сообществ в биопленке и активном иле в гибридном реакторе

Том 12 научных докладов, номер статьи: 12558 (2022 г.) Цитировать эту статью

1340 Доступов

4 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Микроорганизмы играют ключевую роль в биологической очистке сточных вод. Форма развития биомассы определяет эффективность и механизмы превращения органических соединений, что обусловлено разными условиями в различных микробных структурах. Однако результаты исследований, сравнивающих микробные сообщества в биопленке и активном иле, часто противоречили. Поэтому в этом исследовании сравнили состав и развитие бактериальных сообществ в биопленке и активном иле в гибридном реакторе с использованием секвенирования 16S рРНК. Статистический анализ данных секвенирования включал идентификацию таксонов, характерных для биопленки и активного ила, анализ альфа- и бета-разнообразия, а также сетевой анализ. Эти анализы показали, что бактериальное сообщество биопленок было богаче и разнообразнее, чем сообщество активного ила. Среднее количество OTU составило 1614 в биопленке и 993 в активном иле, а средние значения индексов биоразнообразия Chao1 (1735 против 1105) и Шеннона (5,3 против 4,3) были значительно выше для биопленки. Биопленка была лучшей средой для развития нитрификаторов (например, Nitrosomonas, Nitrospira) и организмов, накапливающих фосфор (Candidatus Accumulibacter). Бактерии в сети совместного встречаемости биопленок имели больше связей (на основе коэффициента ранговой корреляции Спирмена) друг с другом, что указывает на то, что они взаимодействуют больше, чем бактерии в активном иле.

Гибридные биологические реакторы, сочетающие рост микроорганизмов в активном иле и биопленке, широко используются при очистке сточных вод в различных конфигурациях. В наиболее распространенном типе гибридных биореакторов биопленка развивается на движущихся носителях, добавленных в аэротенк, но существуют также системы с другими технологическими решениями, такими как вращающийся биологический контактор или погружной слой. Использование биореакторов на основе гибридной технологии позволяет повысить концентрацию биомассы и повысить эффективность очистки сточных вод. Примером технологии такого типа является интегрированный биопленочный реактор периодического секвенирования с фиксированной пленкой и активным илом с подвижным слоем (IFAS-MBSBBR), который представляет собой модификацию традиционной технологии секвенирующего реактора периодического действия. В этом реакторе обе формы биомассы сосуществуют в одном резервуаре. Основными преимуществами данной технологии являются исключение скопления осадка и возможность получения большей нагрузки загрязнений1.

Независимо от используемого технологического решения, микроорганизмы играют ключевую роль в биологической очистке сточных вод. На формирование микробного сообщества влияют многие факторы, в том числе условия эксплуатации и состав поступающих сточных вод2. Важным фактором, влияющим на эффективность удаления загрязняющих веществ и производительность всего процесса, является возраст осадка. Возраст ила, также называемый временем удерживания твердых веществ (SRT), представляет собой время, которое твердая фракция (бактерии) проводит в реакторе. Каждая группа бактерий имеет разное оптимальное время для размножения, и слишком короткий СТО приводит к их вымыванию из системы. Потребности разных бактерий во времени размножения весьма различны: длительный СТО благоприятствует развитию нитрифицирующих и нитчатых бактерий, а короткий СТО благоприятствует фосфораккумулирующим бактериям и денитрифицирует3,4,5. Форма развития биомассы также оказывает существенное влияние на конечную структуру микробного сообщества. Условия в биопленке отличаются от условий в активном иле: например, в биопленке существуют градиенты концентрации кислорода и питательных веществ, и меньшее количество этих веществ достигает более глубоких слоев биопленки. Таким образом, активный ил и биопленка имеют разные механизмы удаления загрязняющих веществ6. Оптимальная толщина биопленки имеет решающее значение для эффективности процессов очистки сточных вод. Если он слишком тонкий, он не обеспечивает бескислородные условия для размножения денитрифицирующих бактерий; если оно слишком густое, оно неблагоприятно для нитрифицирующих бактерий, так как выступает барьером, ограничивающим доступ питательных веществ7. ​​Форма микробного сообщества определяется также стадией его развития. И в активном иле, и в биопленке пропорции отдельных групп бактерий будут меняться по мере развития процесса созревания.