徐佩倫, 樂(lè)紹明, 張浩哲, 錢 薇, 吳 超, 李 鋒, 李素靜, 郭天蛟, 李 偉, 王向前,2

(1. 浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 生物質(zhì)化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310027; 2. 浙江大學(xué) 工程師學(xué)院 動(dòng)力工程中心, 浙江 杭州 310015; 3. 浙江新安江集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州 311600; 4. 杭州博盛環(huán)?？萍加邢薰? 浙江 杭州 310014; 5. 杭州澳賽諾生物科技有限公司, 浙江 杭州 311604)

1 前 言

石油化工行業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds, VOCs)是臭氧和pM2.5污染的前體物之一，其自身的毒性也嚴(yán)重危及大氣環(huán)境和大眾健康[1]。石化行業(yè)排放的廢氣往往是一種復(fù)雜的混合物，包括惡臭的含硫化合物和苯、甲苯、乙苯和二甲苯(benzene, toluene, ethyl benzene and xylenen, BTEX)等。生物技術(shù)在VOCs去除方面擁有良好的成本效益和環(huán)境友好性而受到廣泛應(yīng)用[2-5]。其中，生物滴濾(biotrickling filter，BTF)系統(tǒng)至今仍具有最高的VOC生物降解運(yùn)行成本比[6-9]。然而，目前的研究?jī)H報(bào)道了BTF系統(tǒng)中去除含硫VOCs或BTEX化合物。CáCERES等10]報(bào)道了利用接種了Thiobacillus thioparus純菌的BTF去除H2S、二甲基硫醚，二甲基二硫醚和甲硫醇[。HU等[11]利用接種了Zoogloea resiniphila HJ1和Rhodesianum H13的BTF進(jìn)行甲苯、鄰二甲苯和二氯甲烷的處理。而接種特定的VOCs降解菌種同時(shí)去除石油化工行業(yè)排放的含硫VOCs和BTEX的研究鮮有報(bào)道。此外，許多報(bào)道表明微生物與生物反應(yīng)器中VOCs的宏觀生物降解有著密切但不明確的關(guān)系：LI等[12]通過(guò)聚合酶鏈反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)，發(fā)現(xiàn)Marinobacter，Prolixibacter，Balneola，Zunongwangia，Halobacillus是BTEX降解的主要菌屬。WAN等[13]利用16S rRNA基因測(cè)序和系統(tǒng)發(fā)育分析來(lái)證實(shí)Lysinibacillus sphaericus RG-1的乙硫醇(ethyl mercaptan，EM)生物降解性。然而，關(guān)于BTF體系中含硫VOCs和BTEX降解過(guò)程的微生物群落的動(dòng)態(tài)變化研究仍然空缺。

作者之前的研究中，Pandoraea sp. WL1和Pseudomonas sp. WL2被證明分別具有高效降解對(duì)二甲苯和EM的能力[14-15]。在本研究中，將上述菌株的混合培養(yǎng)物接種入BTF中，用于同時(shí)去除惡臭硫醇和BTEX。通過(guò)構(gòu)建16S rRNA基因克隆文庫(kù)，分析從初始階段到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性變化，為生物技術(shù)處理含硫VOCs和BTEX提供相關(guān)的理論參考。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)藥劑與培養(yǎng)基

本研究中，EM和丙硫醇(propyl mercaptan，PM)作為惡臭硫醇類模擬污染物，購(gòu)自阿拉丁試劑(上海)有限公司。甲苯和對(duì)二甲苯作為BTEX類模擬污染物，購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。所用藥品均為分析純。

用于BTF系統(tǒng)中微生物富集和液體循環(huán)的礦物鹽培養(yǎng)基(mineral salts medium，MSM)每升無(wú)菌去離子水含有：2.5 g (NH4)2SO4，0.1 g MgCl2·6H2O，0.01 g EDTA，0.002 g ZnSO4·7H2O，0.001 g CaCl2·2H2O，0.005 g FeSO4·7H2O，0.000 2 g Na2MoO4·2H2O，0.000 2 g CuSO4·5H2O，0.000 4 g CoCl2·6H2O，0.001 g MnCl2·4H2O，1.6 g K2HPO4和0.8 g NaH2PO4·2H2O[16]。配制好的培養(yǎng)基近似中性(pH = 6.6)。上述所有化學(xué)試劑均為分析純，購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2 接種菌

將近似濃度的50 mL BTEX降解細(xì)菌溶液(Pandoraea sp.WL1)和EM降解細(xì)菌溶液(Pseudomonas sp. WL2)與100 mL 新鮮MSM在630 mL無(wú)菌血清瓶中混合并密封，在30℃下以180 r?min-1轉(zhuǎn)速恒溫震蕩，并連續(xù)供應(yīng)50 mg?L-1的EM和對(duì)二甲苯進(jìn)行馴化。當(dāng)生物質(zhì)濃度增加至50 mg干細(xì)胞重量(DCW)L-1時(shí)，將菌液接種至BTF中。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用的BTF系統(tǒng)如圖1所示。滴濾塔身總高度為0.65 m，添加共計(jì)3.5 L的組合生物填料(授權(quán)專利號(hào)：ZL201210146421.6)。BTF擁有兩層填料層(記為上層和下層)，以研究BTF不同填料高度微生物群落的變化和分布。模擬廢氣從揮發(fā)瓶中鼓吹出來(lái)，與新鮮空氣在混合室中混合后調(diào)節(jié)濃度，從BTF的底部進(jìn)入。模擬廢氣經(jīng)過(guò)填料層，與從塔頂噴淋的MSM形成對(duì)流。MSM循環(huán)液流速為12.0 L?h-1。進(jìn)氣量恒定為0.4 m3?h-1，對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間 (empty bed residence time，EBRT) 為28.3 s。BTF系統(tǒng)的溫度保持在(29±1) ℃。利用pH自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，體系pH值維持在7.0±0.2。

圖1 BTF系統(tǒng) Fig.1 Schematic diagram of the BTF system

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中BTF系統(tǒng)共運(yùn)行94 d，其中初始階段23 d，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行71 d。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分為6個(gè)階段(階段I～VI)，分別研究處理EM(階段I)、PM(階段II)、對(duì)二甲苯(階段III)和甲苯(階段IV)、EM和對(duì)二甲苯混合VOCs(階段V)，以及EM、PM、對(duì)二甲苯和甲苯4組分混合VOCs(階段VI)的去除情況。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每天測(cè)量3次BTF的進(jìn)氣口和出氣口VOCs濃度，每次測(cè)量間隔為4 h。每次測(cè)量至少注入氣相色譜儀3次，結(jié)果取算術(shù)平均值。各實(shí)驗(yàn)階段VOCs的進(jìn)氣濃度和總進(jìn)氣負(fù)荷如表1所示。

表1 各實(shí)驗(yàn)階段BTF的運(yùn)行參數(shù) Table 1 Operation conditions of each experimental procedures in the BTF

2.5 分析方法

VOCs濃度使用氣相色譜測(cè)量。使用1 000 μL玻璃注射器從進(jìn)氣口和出氣口對(duì)氣體樣品進(jìn)行取樣。然后使用氣相色譜儀(GC9790，浙江福立儀器股份有限公司)用熔融石英毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×0.33 μm)和火焰離子化檢測(cè)器(FID)定量分析樣品。使用氮?dú)庾鳛檩d氣，流量為30 mL?min-1。進(jìn)樣口、烘箱和檢測(cè)器的溫度分別設(shè)定為180，180和200 ℃。

2.6 動(dòng)力學(xué)模型

BTF的宏觀動(dòng)力學(xué)通常使用如下所示的改進(jìn)的Michaelis-Menten模型表述[17]：

其中Cln=[(Cin-Cout)/ln(Cin/Cout)]。當(dāng)?shù)孜镆种莆⑸飼r(shí)，宏觀動(dòng)力學(xué)可以通過(guò)添加抑制常數(shù)Ki(g?m-3)的Haldane-Andrews方程來(lái)表示[18]：

2.7 16S rRNA測(cè)序

為研究對(duì)二甲苯和EM的降解菌Pandoraea sp. WL1和Pseudomonas sp. WL2的微生物群落變化情況。在接種初期和BTF穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)(第64 d)，從生物反應(yīng)器填料上層和下層中收集微生物樣品。用通用引物27F和1492R提取總DNA，構(gòu)建16S rRNA基因克隆文庫(kù)[19]。

同時(shí)，利用香農(nóng)指數(shù)表示微生物群落多樣性，計(jì)算如下：

其中Pi是菌種i的比例豐度，S是體系中的菌種數(shù)。

使用GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中的BLAST程序?qū)?6S rRNA基因序列進(jìn)行識(shí)別，并獲取其菌屬、菌種的分類學(xué)位置，置信水平為99%。Clustal X(V 1.83)用于多組16S rRNA序列比對(duì)。利用MEGA軟件(V 5.0)構(gòu)建從初始接種到穩(wěn)定運(yùn)行階段的BTF體系生物膜的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。

在本研究中提取克隆的16S rRNA序列在GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中的登記序號(hào)為KY082011-KY082038。

3 結(jié)果與討論

3.1 BTF的去除效果

接種馴化后的BTEX和硫醇降解菌后，BTF進(jìn)入初始階段，VOCs去除情況如圖2所示。初始階段的前4 d，當(dāng)EM和對(duì)二甲苯的進(jìn)氣濃度為116～168 mg?m-3的和99～308 mg?m-3時(shí)，BTF對(duì)EM和對(duì)二甲苯的去除效率(removal efficiency, RE)較低，分別在40%和30%以下。第5 d開(kāi)始，EM和二氯甲烷的去除效率開(kāi)始明顯上升，到第10 d為止去除效率均逐漸增加到80%并且在后續(xù)的第10～23 d保持在80%～90%，表明BTF系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 BTF對(duì)EM、PM、對(duì)二甲苯和甲苯的去除性能 Fig.2 Time courses of removal performance for EM, PM, p-xylene and toluene by the BTF

初始階段的結(jié)果表明接種了特定降解菌后，BTF體系可以在10 d內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。YANG等報(bào)道，裝填有聚氨酯海綿規(guī)整填料或立方堆積填料的BTF可有效去除甲苯，但啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)(規(guī)整填料為19 d，立方堆積為27 d)[20]。SERCU等使用Hyphomicrobium VS接種菌來(lái)提高BTF對(duì)二甲基硫醚的去除效果，經(jīng)過(guò)16 d的馴化期后，獲得了超過(guò)90%的去除效率[21]。由于高效降解接種菌的使用，本研究中BTF的初始馴化階段大大縮短。

初始階段后，考察了該BTF體系對(duì)EM和對(duì)二甲苯的去除性能。在階段I，EM進(jìn)氣濃度為304～802 mg?m-3，去除效率達(dá)到75%～90%，對(duì)應(yīng)的去除能力(elimination capacity, EC)為34.1～79.3 g?m-3?h-1。在階段II，當(dāng)對(duì)二甲苯濃度在181～900 mg?m-3之間變化時(shí)，其去除能力均保持在90%左右，對(duì)應(yīng)的去除能力為20.8～104.1 g?m-3?h-1。在階段III，對(duì)二甲苯和EM混合通入BTF中，總VOCs濃度為430～1598 mg?m-3。此時(shí)EM和對(duì)二甲苯的去除效率分別降至47%～67% 和77%～89%。相對(duì)地，EM和對(duì)二甲苯的最大去除能力分別為57.0 g?m-3?h-1和71.0 g?m-3?h-1。

經(jīng)過(guò)PM和甲苯的適應(yīng)過(guò)程(IV，V階段)后，在第VI階段(第80～94 d)考察了該BTF體系對(duì)EM、PM、對(duì)二甲苯和甲苯VOCs混合去除的表現(xiàn)。對(duì)于總進(jìn)氣濃度為425～1321 mg?m-3的混合VOCs (EM 41～509 mg?m-3，PM 41～509 mg?m-3，甲苯37～529 mg?m-3，對(duì)二甲苯 42～326 mg?m-3)，BTF系統(tǒng)能夠穩(wěn)定去除且4種污染物的去除效率分別為EM (77±8)%，PM (73±8)%，甲苯(74±9)%，對(duì)二甲苯(74±8)%。

3.2 單一和混合組分VOCs去除能力

考慮到石油化工行業(yè)廢氣排放中廣泛存在的PM、甲苯及其他多種有機(jī)污染物，研究多種混合組分VOCs的去除能力極為重要。如圖3所示，當(dāng)去除單一底物時(shí)，EM、PM、甲苯和對(duì)二甲苯的去除能力分別為30.7～71.3，9.6～64.6，8.7～87.0和10.4～120.3 g?m-3?h-1，對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣負(fù)荷(inlet loading rate, ILR)分別為34.7～91.6，9.6～83.8，12.9～102.8和13.0～137.3 g?m-3?h-1。單一底物的去除效率接近100% 的去除線。當(dāng)處理多種VOCs時(shí)，在進(jìn)氣負(fù)荷達(dá)到30.0 g?m-3?h-1前，兩種硫醇的去除能力與單一底物的去除差別不大。而當(dāng)進(jìn)氣負(fù)荷達(dá)到25.0 g?m-3?h-1時(shí)，混合VOCs中的對(duì)二甲苯和甲苯的去除能力就開(kāi)始明顯偏離單一底物時(shí)的去除能力。混合組分去除時(shí)，EM、PM、對(duì)二甲苯和甲苯的最大去除能力分別為48.4，27.5，27.1和60.7 g?m-3?h-1。然而，隨著進(jìn)氣負(fù)荷的增加，混合VOCs的去除能力曲線并未完全平坦。這表明在進(jìn)氣濃度0～500 g?m-3?h-1，這些底物的進(jìn)氣負(fù)荷較低，未能使該BTF體系達(dá)到理論的最大去除能力，其去除能力還存在進(jìn)一步提高的空間。

圖3 單一VOC與混合VOCs的去除能力比較 Fig.3 Comparison of EC for single VOC and mixed VOCs of EM, PM, p-xylene and toluene

值得注意的是，當(dāng)進(jìn)氣負(fù)荷控制在53.6～168.1 g?m-3?h-1時(shí)，多組分混合VOCs的總?cè)コ芰?3.1 ～110.1 g?m-3?h-1，維持在相對(duì)較高的水平并。WAN等利用接種Lysinibacillus sphaericus RG-1的BTF去除1.05 mg?L-1單一EM，最大去除能力為56.2 g?m-3?h-1[22]。JIMéNEZ等報(bào)道，在BTF中停留時(shí)間為30 s時(shí)，甲苯的最大去除能力為99 g?m-3?h-1[23]。由于接種時(shí)使用的BTEX降解菌株和硫醇降解菌株對(duì)各種VOCs均具有良好的底物降解范圍[14-15]，因此與其他研究相比，本研究的BTF中硫醇、BTEX和總?cè)コ芰哂邢鄬?duì)較好的表現(xiàn)。

表2 硫醇和BTEX生物降解過(guò)程宏觀動(dòng)力學(xué)參數(shù) Table 2 Macro-kinetics parameters for mercaptans and BTEX biodegradation in the BTF

3.3 動(dòng)力學(xué)分析

Haldane-Andrews模型使用非線性曲線擬合求解，相應(yīng)的擬合結(jié)果總結(jié)在表2中。在擬合的過(guò)程中，4種底物的抑制常數(shù)Ki的大小在1014～1025數(shù)量級(jí)，表明在本研究的進(jìn)氣負(fù)荷內(nèi)，EM、PM、對(duì)二甲苯和甲苯的降解過(guò)程幾乎不受競(jìng)爭(zhēng)性抑制。在這種情況下，該模型的方程與無(wú)抑制常數(shù)的Michaelis-Menten模型近似[17]，因此表2中的飽和elis-Menten模型列出。

模型擬合和結(jié)果表明，單一底物去除時(shí)，BETX的ECmax值(對(duì)二甲苯為304.5 g?m-3?h-1，甲苯為331.4 g?m-3?h-1)高于硫醇(EM為174.6 g g?m-3?h-1，PM為161.0 g?m-3?h-1)。這是由于含硫VOCs比芳香烴更難生物降解。在多組分混合VOCs去除中，對(duì)二甲苯的ECmax顯著低于甲苯(對(duì)二甲苯為65.0 g?m-3?h-1，甲苯為122.2 g?m-3?h-1)。這同樣是由于相比于對(duì)二甲苯，甲苯更容易被微生物利用，因此在降解混合底物時(shí)反應(yīng)器中的微生物傾向于優(yōu)先利用甲苯。這與GALLASTEGUI等[24]的研究結(jié)果一致。

同時(shí)，單一EM、PM、對(duì)二甲苯和甲苯去除的飽和常數(shù)KS值分別為0.560，0.550，0.870和0.768 g?m-3?h-1，而混合VOCs去除時(shí)上述底物的KS值分別為0.378，0.337，0.286和0.633 g?m-3?h-1，單一VOC去除的飽和常數(shù)KS略高于混合VOCs中的飽和常數(shù)。如先前研究中所述，KS表示當(dāng)達(dá)到最大去除速率的一半時(shí)底物的濃度，因此KS值越低，相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)底物和細(xì)菌酶之間的親和力越高，并且有利于降解過(guò)程[17]。混合VOCs進(jìn)樣過(guò)程中的KS值低于單一VOC進(jìn)樣，表明在硫醇和BTEX中可能一定的共降解機(jī)制，這一機(jī)制還有待進(jìn)一步證實(shí)。

3.4 微生物群落分析

在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，分別從BTF上層和下層填料層取下生物膜，獲得約96和102條16S rRNA克隆基因，并從初始接種的菌種樣品中取得100條16S rRNA克隆基因，在GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中將其與其他報(bào)道的16S rRNA序列比對(duì)，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，如圖4所示。香農(nóng)指數(shù)的大小反應(yīng)了微生物的多樣性的高低，上層、下層和初始接種的香農(nóng)指數(shù)分別為3.02，2.67和1.16。結(jié)果表明，填料層上層的微生物群落的多樣性最高，下層較低，而初始接種最低。

初始接種的菌株中檢測(cè)到5個(gè)菌屬，包括19.0% (19條克隆)的Achromobacter(A1)，12.0% (12條克隆)的Comamonas(A2)，60.0% (60條克隆)的Pandoraea(A3)，5.0% (5條克隆)的Pseudomonas (A4)，4.0% (4條克隆)的Pseudoxanthomonas (A5)，如圖5所示。這表明Pandoraea sp. WL1和Pseudomonas sp. WL2菌株在混合并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間混合底物環(huán)境的馴化后，已經(jīng)演化出了不同的菌屬。屬于Betaproteobacteria綱的Pandoraea，Achromobacter和Comamonas菌屬在接種物中占91%，而Gammaproteobacteria綱(Pseudomonas和Pseudoxanthomonas菌屬)僅占9%。這一結(jié)果表明Pandoraea sp.能夠適應(yīng)高EM和對(duì)二甲苯濃度的環(huán)境，并以懸浮態(tài)形式存在，而Pseudomonas sp.在這種環(huán)境中逐漸減少。

將初始菌株接種入BTF中并運(yùn)行64d后，在BTF的填料層上層和下層分別分離出了27種和21種菌屬，如圖6所示。其中，Achromobacter (9條克隆)，Armatimonadetes_gp5 (19條克隆)，Dokdonella (14條克隆)，F(xiàn)erruginibacter (10個(gè)克隆)，Hydrogenophaga (34條克隆)，Pseudomonas (16條克隆)，Thiobacillus (9條克隆)，Truepera (6條克隆)和Variovorax (7條克隆)為主要菌屬，占198條克隆序列的62.6%。在填料層上層生物膜中，Achromobacter，Hydrogenophaga，Pseudomonas，Dokdonella，F(xiàn)erruginibacter和Armatimonadetes_gp5占相對(duì)較高的比例(5.9%～10.9%)。在填料層下層生物膜中，Hydrogenophaga成為優(yōu)勢(shì)屬，占24.04%。Pseudomonas和Armatimonadetes_gp5的下層相對(duì)豐度也較高，分別為9.6% 和7.7%。然而，在初始菌種中的優(yōu)勢(shì)菌屬Pandoraea在BTF的上層和下層占0.5% 和0.0%，失去了其優(yōu)勢(shì)地位。

圖4 初始接種菌的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù) Fig.4 Maximum likelihood phylogenetic tree from the pre-isolated strains

圖5 初始接種菌屬的16S rRNA基因序列相對(duì)豐度 Fig.5 Relative abundance of the cloned 16S rRNA gene sequences from bacterial strains for the inoculum

在BTF中，與初始接種相比，Pseudomonas sp.的比例顯著增加，在填料層上層和下層的生物膜中相對(duì)豐度分別為5.9% 和9.6%。在作者以前的研究中曾報(bào)道過(guò)Pseudomonas sp. WL2具有高效降解EM和二乙基二硫醚能力[15]。同時(shí)，Pseudomonas屬也是BTEX最常見(jiàn)的生物降解菌之一，在BTEX降解群落中，均能保持一定比例的存在[25-26]。廣泛的適應(yīng)性可能使其在一定程度上兼顧了硫醇及BTEX的降解。在初始接種中，Hydrogenophaga尚不存在，而在運(yùn)行一段時(shí)間后，該屬的序列在總微生物群落中占17.2%，它被證實(shí)具有降解芳香烴的能力和氧化硫元素的能力[27-29]。從圖4可知，Hydrogenophaga離初始接種菌屬中的Pandoraea距離最為接近，在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，伴隨著Pandoraea sp.在微生物群落中優(yōu)勢(shì)地位的喪失，Hydrogenophaga成為了優(yōu)勢(shì)菌屬，其可能是由Pandoraea演化而來(lái)[29]。此外，Hydrogenophaga能與Pseudomonas共同存在并一同降解苯、甲苯、二甲苯[30]。相比于Pandoraea對(duì)Pseudomonas的抑制作用，Hydrogenophaga的存在更有利于微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此在菌種接種時(shí)，除了其降解能力的高效性，不同菌種間的群落穩(wěn)定性也需考慮。

圖6 上層和下層填料層中16S rRNA序列相對(duì)豐度 Fig.6 Relative abundance of the cloned 16S rRNA gene sequences for the top and bottom layers

表3列舉了其他研究中用于去除含硫VOCs和BTEX的降解菌。在本研究的BTF體系中，BTEX降解菌在微生物群落中占主導(dǎo)地位，而硫醇降解菌比例較少，這可以解釋同時(shí)去除對(duì)二甲苯和EM二組分混合VOCs時(shí)，EM去除效率的迅速下降的情況(圖2)。

表3 其他研究中的含硫VOCs和BTEX降解菌 Table 3 Bacterial strains for degrading sulfur-containing VOCs and BTEX in literature

具有BTEX降解能力的菌株(Hydrogenophaga和Pseudomonas)在下層填料層具有更高的相對(duì)豐度(圖6)。同時(shí)，下層填料層中的Thiobacillus屬的相對(duì)豐度(5.9%)也比上層(3.1%)高得多。這種菌屬在生物過(guò)濾處理含硫VOCs，例如甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚等較為常見(jiàn)[31]。這是由于在進(jìn)氣過(guò)程中，底物先經(jīng)過(guò)下層填料層，更高的底物濃度提高了微生物的專一性而限制了其多樣性的發(fā)展。之后，下層的微生物將高濃度的底物轉(zhuǎn)化為有機(jī)中間產(chǎn)物。由香農(nóng)指數(shù)可以看出，上層的微生物群落多樣性高于下層，這是由于底物濃度的降低也同時(shí)降低了對(duì)其他菌株生長(zhǎng)的毒性抑制，而更為豐富的有機(jī)中間產(chǎn)物使上層微生物群落的多樣性高于下層。CHUNG等[32]也報(bào)道了類似的結(jié)果。

生物膜樣品中Armatimonadetes_gp5屬的高相對(duì)豐度(9.6%)表明它可能在硫醇和BTEX的生物降解過(guò)程中起重要作用。然而，目前研究中關(guān)于該菌屬的VOCs降解功能的信息很少。此外， Dokdonella屬被報(bào)道能降低含有葡萄糖和常見(jiàn)金屬鹽類廢水COD的微生物之一[37]。KUNDU等也報(bào)道了Achromobacter屬具有降低COD的能力。該菌屬是一種活性硝化劑，可以穩(wěn)定銨態(tài)氮和COD水平。因此，在上層該屬相對(duì)豐度較高主要是因?yàn)楦缓罅夸@根離子的營(yíng)養(yǎng)液首先被噴灑到上層填料層，填料上生物膜中的菌株首先與銨氮接觸并利用它，有利于這類菌屬的繁殖。

此外，本研究還檢測(cè)到一些其他菌屬，如Terrimonas和Ferruginibacter等。SU等[19]報(bào)道Terrimonas在CH4和甲苯降解中起重要作用。一些報(bào)道還揭示了Terrimonas在多環(huán)芳烴、六氫-1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪和甲基叔丁基醚的降解菌中占主導(dǎo)地位[38-40]。Ferruginibacter是一種異養(yǎng)淡水細(xì)菌，當(dāng)溫度升高并且環(huán)境中存在一些有機(jī)物質(zhì)與之共存時(shí)，這種細(xì)菌的數(shù)量顯著增加[41]。然而，這幾種菌屬在BTF微生物群落體系中的作用尚不明確，還需要在未來(lái)進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

利用預(yù)先分離、馴化的混合BTEX和硫醇降解菌接種入BTF中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行并結(jié)合宏觀動(dòng)力學(xué)模型分析，考察了該體系對(duì)BTEX和硫醇混合VOCs的去除能力；通過(guò)16S rRNA測(cè)序研究了微生物群落變化情況，得到以下結(jié)論：

(1) 接種了特定的BTEX和硫醇降解菌后，BTF體系可以在10 d內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。優(yōu)選菌的接種能大大縮短BTF的啟動(dòng)時(shí)間。

(2) 在該BTF體系中，單一底物進(jìn)氣時(shí)的最大去除能力要高于混合VOCs進(jìn)氣時(shí)同種底物的最大去除能力，宏觀動(dòng)力學(xué)分析表明，該體系多種VOCs混合物的最大去除能力為210.7 g?m-3?h-1。

(3) 微生物群落分析表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，微生物群落的組成發(fā)生了很大變化。Pandoraea sp.失去了其在初始接種菌種的主導(dǎo)地位，而Hydrogenophaga和Pseudomonas成為優(yōu)勢(shì)屬。填料層生物膜中還檢測(cè)到相對(duì)高含量的Achromobacter，Armatimonadetes_gp5，Dokdonella，F(xiàn)erruginibacter和Thiobacillus菌屬。這些結(jié)果為進(jìn)一步深入了解了微生物群落與生物反應(yīng)器中含硫VOCs和BTEX的宏觀生物降解之間的關(guān)系提供了參考。

符號(hào)說(shuō)明：

Cin— 進(jìn)口濃度，g?m-3

Cln— 對(duì)數(shù)平均濃度，g?m-3

Cout— 出口濃度，g?m-3

EC — 去除能力，g?m-3?h-1

ECmax— 最大去除能力，g?m-3?h-1

Ki— 抑制常數(shù)，m-3

KS— 飽和系數(shù)，m-3

Pi— 比例豐度

RE — 去除效率，%

S — 菌種數(shù)