污泥厭氧消化過(guò)程中砷的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其微生物作用機(jī)理.pdf

1、砷(As)被認(rèn)定為“已知的人類(lèi)致癌物質(zhì)”，其在不同環(huán)境介質(zhì)中的生物地球化學(xué)過(guò)程成為當(dāng)前科學(xué)研究熱點(diǎn)之一。在各生態(tài)系統(tǒng)中砷的毒性和生物有效性不僅取決于其含量，更取決于砷的形態(tài)和轉(zhuǎn)化。砷廣泛存在于污泥中，對(duì)環(huán)境構(gòu)成了潛在的威脅。厭氧消化作為一個(gè)穩(wěn)定的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)污泥資源化、減量化和無(wú)害化處理的有效方式。污泥中的砷在厭氧消化過(guò)程中形態(tài)不斷發(fā)生變化，因此，研究污泥厭氧消化過(guò)程中的砷形態(tài)轉(zhuǎn)化具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。微生物可以直接或間接

2、調(diào)控砷存在的賦存形態(tài)和價(jià)態(tài)影響其遷移轉(zhuǎn)化，在砷的生物地球化學(xué)循環(huán)中有著重要的作用。目前針對(duì)污泥厭氧消化過(guò)程中砷的研究主要集中在污泥中砷的存在形態(tài)和生物有效性等方面，而污泥厭氧消化過(guò)程中砷的氧化、還原、甲基化轉(zhuǎn)化規(guī)律與機(jī)制相關(guān)研究較少。
　　本文在分析實(shí)際厭氧消化工程處理前后污泥中砷的形態(tài)變化的基礎(chǔ)上，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室模擬厭氧消化實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究污泥厭氧消化處理過(guò)程中的砷轉(zhuǎn)化過(guò)程，并利用Real-time PCR和微生物測(cè)序技術(shù)等分析厭氧消

3、化過(guò)程中功能基因和微生物群落的變化探討厭氧消化過(guò)程中砷的形態(tài)轉(zhuǎn)化與機(jī)制，為污泥中砷的生物去除以及污泥處理處置提供理論依據(jù)。得到的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)實(shí)際厭氧消化工程處理后，污泥中的四種砷形態(tài):As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，DMA，MMA均發(fā)生了變化，As(Ⅴ)始終占主導(dǎo)地位（占比41.73-74.27％），厭氧消化之后As(Ⅲ)的占比減少了8.92-19.57％，一甲基砷MMA明顯的增多。
　　(2)模擬連續(xù)厭氧消化處理

4、后，污泥中As(Ⅲ)隨著厭氧消化的時(shí)間逐漸減少，相對(duì)減少了26.42％。而As(Ⅴ)隨著時(shí)間略微上升，厭氧消化后相對(duì)增加了16.85％。MMA和DMA并不是呈緩慢趨勢(shì)變化的，MMA在厭氧消化的第3天時(shí)才被檢出。由于不同來(lái)源的污泥性質(zhì)及其中砷含量和形態(tài)不同，與實(shí)際厭氧消化工程中檢測(cè)到的有所不同，但污泥中的砷都表現(xiàn)出厭氧消化后As(Ⅲ)減少，As(Ⅴ)增加，MMA顯著增加的變化趨勢(shì)。
　　(3)厭氧消化污泥中都檢測(cè)出了砷甲基化基因ar

5、sM等功能基因。實(shí)際厭氧消化污泥中arsM基因豐度在厭氧消化前后變化顯著，厭氧消化后的arsM基因拷貝數(shù)約為厭氧消化前的三倍左右;模擬連續(xù)厭氧消化處理中，arsM基因在四種砷相關(guān)基因中也占主導(dǎo)地位。
　　(4)基于16S rRNA測(cè)序研究了厭氧消化后污泥微生物群落結(jié)構(gòu)變化，通過(guò)微生物Alpha多樣性分析，Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)和Shannon指數(shù)在厭氧消化后都有所降低，表明厭氧消化后污泥中物種豐富度的降低，厭氧消化改變了污泥中

6、微生物的群落結(jié)構(gòu)與多樣性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其中可能與砷甲基化基因相關(guān)的OTU微生物進(jìn)行比對(duì)分析，篩選出47條16S OTU與已報(bào)道的砷甲基化微生物序列相似度超過(guò)96％。經(jīng)分析表明，厭氧消化后，廣古菌門(mén)（Euryarchaeota）的甲烷八疊球菌（Methanosarcinales）占有的細(xì)菌總比例增加到了8.06-10.90‰，綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）的厭氧繩菌(Anaerolineales)在厭氧消化后占有的總比例也增加了3.

7、50-3.59‰，表明這兩種菌類(lèi)可能在污泥厭氧消化過(guò)程中對(duì)砷的甲基化起到重要作用，可能是砷甲基化的功能微生物，需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。
　　(5)厭氧消化抑制實(shí)驗(yàn)中，與空白常規(guī)厭氧消化實(shí)驗(yàn)對(duì)比，添加抑制劑的厭氧消化試驗(yàn)中砷幾乎都以As(Ⅲ)的形式存在，沒(méi)有明顯發(fā)生砷的甲基化轉(zhuǎn)化，而常規(guī)厭氧消化中隨著時(shí)間的推移，As(Ⅲ)減少，As(Ⅴ)增加，甲基砷大量增加，從而間接證實(shí)了厭氧消化促進(jìn)了污泥中砷的甲基化轉(zhuǎn)化。
　　總之，本文初步探