Page 187 - 《精细化工》2020年第2期

第 2 期 张泽玺，等: 电-生物耦合技术降解中药提取废水及微生物群落分析 ·389·

解装置、COD-571 型化学需氧量测定仪、PHSJ-3F CAGCMGCCGCGG)-3′和 907R 5′-CCGTCAATTCM-
型酸度计，上海仪电科学仪器公司；HQ30d 型溶氧 TTTRAGTTT-3′。PCR 扩增条件为：95 ℃预变性
仪，美国哈希公司；QuantiFluor™-ST 微型荧光计， 2 min，95 ℃变性 30 s，55 ℃退火 30 s，72 ℃延伸
美国 Promega 公司。 30 s，重复 25 个循环。采用 20 μL 反应体系（以超纯
1.2 实验用水和接种污泥 水定容至 20 μL）：包括 4 μL 的 5×FastPfu Buffer，2 μL
实验原水每天取自兰州某制药厂污水调节池， 的浓度 2.5 mmol/L dNTPs，0.8 μL 前向引物，0.4 μL
该药厂中药提取废水 COD 在 1400~2700 mg/L 内， FastPfu 聚合酶，10 ng 模板 DNA。每个样品的扩增均
pH=5.5~7.0，可生化性差，含有四氢呋喃、乙醇、 作 3 次重复。从质量分数 2%的琼脂糖凝胶中提取扩
乙酸乙酯、丙酮、甲苯、氯仿、木质素和蛋白质等 增子，参照 AxyPrep DNA Gel Extraction Kit 说明书进
污染物。接种污泥取自甘肃省兰州市七里河安宁污 行纯化 （ Axygen Biosciences ，美 国），使 用
水处理厂二沉池，接种污泥采用孔径 0.9 mm 的筛子 QuantiFluor™-ST 进行定量。将纯化后的扩增子等量
筛分污泥，来去除砂石和碎屑，污泥 pH 为 6.9，含 混合，在平台的标准流程下进行双端（2×250 bp）测
水率为 98.95%，悬浮固体质量浓度（MLSS）为 序，比对 Genbank 数据库中序列。将序列在 97%相似
6312 mg/L。 性下分为不同操作单元（Operational taxonomic units，
1.3 运行方案及样品采集 OTUs）进行后续数据分析。
将 5 L 接种污泥倒入装置中，为减弱中药提取 应用软件 Mothur 中的 summary.single 命令，计
废水对接种污泥的毒副作用，将原水用自来水稀释 算菌群 Chao、Shannon、Simpson 多样性指数。组间
到 COD 为 800 mg/L 左右，注入到反应器（0 V）中。 差异分析：数据批量导入 Qiime 软件，对 OTUs 表
控制 DO 在 3.0~4.5 mg/L 闷曝 3 d，然后以 15 L/d 进行组间差异性分析，生成不同分类水平上（门、
流量逐渐增大水力负荷，增至 50 L/d，21 d 后连续 纲、属）的物种丰度表。
一周出水 COD 去除率〔COD 去除率/%=(进水 COD–
出水 COD)/进水 COD×100〕稳定在 57%±4%，标志 2 结果与讨论
着球形填料挂膜完成。 2.1 不同电压对 COD 去除率的影响
反应器运行温度维持在（22±2） ℃，反应器电 在 DO=3.0~4.5 mg/L 的静态实验中，考察不同
压由 0 V 增至 27 V，电压增量为 2 V，电压调整后， 电压下中药提取废水 COD 去除率，结果见图 2。处
球形填料中的生物膜会经过 5 d 驯化，出水稳定后 理 24 h 后，0 V 时，COD 去除率为 56.85%；电压为
开始水质测定。静态实验中将原水一次性注入装置 10 V 时 COD 去除率最佳，达到 98.97%；27 V 时，
内，以 8 h 为间隔检测反应器内 COD 变化。每个工 COD 去除率仅为 33.33%。0 V 时反应器内微生物对
况有 5 个平行样来剔除其他因素对实验的干扰。取 有机物的去除起主要作用，废水中存在四氢呋喃、
最佳电压下阴、阳极板两侧的球形填料，将填料取 丙酮、甲苯、氯仿等污染物，环醚和苯环官能团的
出，放入经过灭菌的一次性塑料离心管中低温保存。 存在使其不易被微生物降解。同时四氢呋喃是细胞
随后放置于 250 mL 锥形瓶中，注入 100 mL 纯净水， 色素 P450 酶的抑制剂，会抑制微生物的好氧呼吸，
纯净水电阻率为 17.2 MΩ·cm，在低温振荡箱（10 ℃） 同时不同程度地影响脱氢酶、磷酸酶、脉酶和过氧
中恒温振荡 24 h 后取出，静沉 2 h，取出沉淀污泥 化氢酶等酶的活性 [17] ，降低了微生物对废水中醇类、
用于后续生物多样性检测。在最佳电压下测定 HRT 多糖类、植物蛋白、木质素、色素等物质的利用效
为 12、24 和 36 h 的 COD 去除率（动态实验），通 率。小分子物质的去除及环醚和苯环官能团对微生
过调整电磁隔膜计量泵的流量来改变装置的水流停 物的抑制作用导致 0 V 时 COD 平均去除速率不断下
留时间。 降。10 V 时极板附近会产生大量·OH，·OH 的氧
1.4 测定方法 化势能为 2.80 V，仅次于氧化性最强的氟 [18] 。苯环
采用标准方法 [16] 测定 COD，装置进、出水样品 类难降解物质在大量·OH 的作用下发生加成反应
摇匀后经 0.45 μm 滤膜过滤。 生成含羟基类化合物，随后转化成苯醌，苯醌在电
通过高通量测序技术对最佳工况下（10 V）阴极 化学作用下降解为反丁烯二酸、草酸等。同时四氢
附近生物膜（A）和阳极附近生物膜（B）进行基因组 呋喃在·OH 的作用下生成易于生化降解的丁二酸 [19] ，
测序。样品A、B 的 DNA 提取参照 E.Z.N.A.® Soil DNA 有机酸在微生物的作用下转化为 CO 2 和 H 2 O。同时
提取试剂盒（Omega Bio-tek，美国），通过 PCR 扩增 适当电刺激可以提高微生物的三磷酸腺苷（ATP）、
细菌 16S rDNA，扩增引物为 515F 5′-barcode-GTGC- 多糖含量 [20] ，使微生物活性增强，在电化学和微生