磺胺甲唑對生物除磷性能的影響及機制

辛浩洋，李家俊

（1.安徽工業職業技術學院，安徽銅陵 244000； 2.中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300452）

生物除磷技術一直以來被認為是有效抑制水體富營養化的重要途徑〔9〕。目前常用的生物除磷技術主要依靠活性污泥中富集的聚磷菌（PAO）厭氧條件下釋磷，好氧條件下吸磷的能力來去除水體中過量的正磷酸鹽〔10-11〕。研究發現，抗生素作為環境污染物，對生物除磷系統有著不同程度的影響。Qiuxiang XU等〔12〕發現0.5 mg/L的諾氟沙星會導致SBR反應器除磷率由空白組的97.96%降低至82.33%，并且會顯著抑制多聚磷酸鹽激酶（PPK）、多聚磷酸鹽水解酶（PPX）的活性。Sha LONG等〔13〕的研究表明高濃度的四環素會通過抑制聚磷菌胞內poly-P的積累及糖原的合成從而導致除磷性能降低。Kaixin YI等〔14〕發現高濃度的環丙沙星會顯著抑制聚磷菌胞內糖原及PHAs在缺氧及好氧階段的轉化。然而污水中磺胺甲唑對生物除磷性能的研究目前較少，其對生物除磷的影響機制尚不清楚。

1 材料與方法

1.1 試驗污泥及用水

試驗所用的污泥取自合肥市某污水處理廠氧化溝末端，該污泥具有良好的脫氮除磷性能。

配制人工模擬廢水：三水合乙酸鈉 600 mg/L、氯化銨 73 mg/L、磷酸二氫鉀 40 mg/L、氯化鈣 95 mg/L、硫酸鎂 95 mg/L、蛋白胨 5 mg/L、酵母膏 5 mg/L、烯丙基硫脲 4 mg/L（用于抑制硝化細菌生長〔15〕）、乙二胺四乙酸 10 mg/L。配制的模擬廢水的COD為280 mg/L，正磷酸鹽質量濃度為8.38 mg/L。

配制微量元素溶液：三氯化鐵 1.5 mg/L、硼酸0.15 mg/L、碘化鉀 0.18 mg/L、氯化錳 0.12 mg/L、鉬酸鈉 0.06 mg/L、硫酸鋅 0.12 mg/L、六水合氯化鈷 0.15 mg/L、硫酸銅 0.03 mg/L。

1.2 試驗裝置及運行

試驗所用的反應器為9個相同的SBR反應器，其有效體積為6.0 L，內置機械攪拌器，采用BT100-2J型蠕動泵進水，ACO-002型空氣泵進行曝氣，并配置玻璃轉子流量計控制曝氣量大小，反應器每天運行6個周期，每周期4 h（進水10 min、厭氧攪拌1 h、好氧曝氣2 h、靜置45 min、出水5 min），所有運行均通過微電腦時控開關進行控制，實驗裝置見圖1。試驗首先向反應器中加入培養穩定的活性污泥混合液，然后向各反應器中投加一定量的磺胺甲

圖1 反應器裝置Fig.1 Reactor device diagram

唑，控制其質量濃度分別為0、0.05、0.1、1、5、10、20、40、60 mg/L。各反應器共計運行30周期，運行至20周期后各反應器的出水COD及正磷酸鹽濃度保持穩定，即此時SBR達到穩定運行階段。各反應器運行階段控制pH維持在7.0～7.5，MLSS為（4 200±115）mg/L，厭氧期溶解氧控制在0.2 mg/L以下，好氧期溶解氧控制在2.0～5.5 mg/L。待各反應器運行穩定后測量相關指標來分析磺胺甲唑對生物除磷的影響及機制。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 指標檢測方法

COD采用重鉻酸鉀法測定；正磷酸鹽（SOP）采用鉬銻抗分光光度法測定；微生物胞內多聚磷酸鹽的含量采用鉬銻抗分光光度法測定〔16〕；PHB的含量采用次氯酸鈉法測定〔17〕；糖原的含量采用蒽酮-硫酸 比色法測定〔18〕；PPK、PPX活 性 的 測 定 參照文獻〔19〕。

1.3.2 分子對接方法

1.3.3 數據處理

所有的試驗數據應用SPSS 25.0軟件進行顯著性分析，差異性顯著水平P＜0.05，極顯著水平P＜0.01。

式中：I——磺胺甲唑對關鍵酶活性的相對抑制率，%；

R0——以單位MLSS計的空白對照組酶活性；

R——以單位MLSS計的實驗組酶活性。

2 結果與討論

2.1 磺胺甲唑對SBR性能的影響

有機物的去除率及除磷率是直接評價SBR反應器性能的重要指標?；前芳走虼嬖谇闆r下對反應器出水COD及正磷酸鹽含量的影響如圖2所示。

反應器每周期進水COD為280 mg/L左右，由圖2（a）可知，當反應器運行穩定時，空白組的出水COD為23.38 mg/L，COD去除率達到91.84%，當磺胺甲唑的質量濃度為0.05、0.1 mg/L時，出水COD為24.37、26.35 mg/L，去除率為91.50%與90.81%，表明低濃度的磺胺甲唑對SBR中COD的去除幾乎無影響。當磺胺甲唑質量濃度提升至1 mg/L時，出水COD升高至36.93 mg/L，COD去除率降至87.11%，此后隨著磺胺甲唑質量濃度升高至5、10、20、40、60 mg/L 時，COD去除率分 別降至86.16%、84.28%、83.11%、80.65%、79.63%，說明高濃度的磺胺甲唑對反應器COD的去除有明顯的抑制作用（P＜0.01）。

當反應器運行穩定時，進水正磷酸鹽質量濃度為8.38 mg/L，由圖2（b）可知，空白組的出水正磷酸鹽質量濃度為0.08 mg/L，去除率為99.11%，當磺胺甲唑質量濃度較低時（0.05、0.1 mg/L），正磷酸鹽去除率為98.75%、98.03%，仍維持在較高水平，說明低濃度的磺胺甲唑對正磷酸鹽的去除影響不顯著。當磺胺甲唑的質量濃度為1 mg/L時，出水正磷酸鹽質量濃度為0.59 mg/L，已超出城市污水排放的一級A標準，正磷酸鹽去除率為93.02%，當磺胺甲唑質量濃度繼續升高至5、10、20、40、60 mg/L時，正磷酸鹽的去除率分別下降至89.25%、85.62%、82.01%、79.11%、78.5%，說明高濃度的磺胺甲唑會顯著抑制反應器的除磷性能（P＜0.01）。

圖3 磺胺甲唑對典型周期內正磷酸鹽含量的影響Fig.3 Effect of sulfamethoxazole on SOP content in typical cycle

由圖3可知，空白組的厭氧釋磷量和好氧吸磷量分別為30.6、38.9 mg/L，當投加0.05、0.1 mg/L的磺胺甲唑時，微生物的厭氧釋磷量為29.77、29.44 mg/L，在隨后的好氧階段，微生物的吸磷量為38.04、37.66 mg/L，與空白組差異均不大，說明較低濃度的磺胺甲唑對微生物的釋磷吸磷影響不顯著。當磺胺甲唑質量濃度為1 mg/L時，聚磷菌的厭氧釋磷量與好氧吸磷量為27.26、35.06 mg/L，為空白組的89.1%、90.12%，說明此時開始體現出對釋磷吸磷能力的抑制作用，而當磺胺甲唑質量濃度提高至5、10、20、40、60 mg/L時，微 生 物 的 厭 氧 釋 磷 量 為26.66、26.59、24.57、23.71、22.71 mg/L，好氧吸磷量為34.14、33.77、31.45、30.34、29.29 mg/L，在最高濃度磺胺甲唑的作用下，微生物的釋磷量與吸磷量僅為空白組的74.22%、75.29%，說明高濃度的磺胺甲唑顯著抑制了聚磷菌的釋磷與吸磷能力（P＜0.01），從而導致反應器除磷率降低。

2.2 磺胺甲唑對微生物代謝中間產物的影響

微生物代謝中間產物包括多聚磷酸鹽（poly-P）、聚羥基烷酸酯（PHAs）及糖原，其含量與生物除磷過程的能量變化息息相關〔22-23〕?；前芳走驅ι锍走^程中胞內poly-P含量的影響如圖4所示。

圖4 磺胺甲唑對典型周期內poly-P含量變化的影響Fig.4 Effect of sulfamethoxazole on Poly-P content change in typical periods

由圖4可知，空白組的poly-P的厭氧降解量與好氧合成量分別為8.62、9.57 mg/g，當加入較低質量濃度的磺胺甲唑時（0.05、0.1 mg/L），其厭氧降解量為8.41、8.35 mg/g，好氧合成量為9.34、9.15 mg/g，說明低濃度的磺胺甲唑不會影響微生物胞內poly-P的降解與合成。當磺胺甲唑的質量濃度為1 mg/L時，poly-P的降解量與合成量分別為7.63、8.25 mg/g，較空白組均有所下降。隨著反應器內磺胺甲唑質量濃度增加至5、10、20、40、60 mg/L時，poly-P的 厭 氧 降 解 量 分 別 為7.46、7.27、6.7、6.53、6.41 mg/g，好氧合成量為8.05、7.96、7.36、7.1、7.12 mg/g，在最高濃度磺胺甲唑的作用下，poly-P的降解量及合成量僅為對照組的74.36%、74.4%，說明高濃度的磺胺甲唑會顯著抑制胞內poly-P的降解與合成（P＜0.01）。結合圖3分析可知，隨著磺胺甲唑濃度的增加，除磷微生物的厭氧釋磷量與好氧吸磷量降低，導致胞內poly-P合成所需的磷源含量降低，因而導致胞內poly-P的合成量減少。

有學者指出，SBR反應器中的除磷微生物胞內PHAs以聚β-羥基丁酸酯（PHB）為主，微生物利用PHB在好氧條件下分解產生的能量用于吸收磷酸鹽并供應糖原，因此PHB的含量變化在除磷系統中十分重要〔24〕?；前芳走驅Π麅萈HB含量的影響如圖5所示。

圖5 磺胺甲唑對典型周期內PHB含量變化的影響Fig.5 Effect of sulfamethoxazole on the change of PHB content in typical cycle

由圖5可知，空白組的PHB在厭氧階段合成量為54.89 mg/g，在好氧階段降解量為55.7 mg/g，當投加0.05 mg/L及0.1 mg/L的抗生素后，PHB的厭氧降解 量 分 別 為54.41、53.96 mg/g，好 氧 合 成 量54.66、53.79 mg/g，說明較低濃度的磺胺甲唑不會顯著影響胞內PHB的降解與合成。當投加質量濃度為1、5、10、20、40、60 mg/L時，此時胞內的PHB厭氧合成量為48.02、45.73、44.19、41.22、39.8、38.79 mg/g；好氧降解量為45.82、44.4、43.51、40.8、39.37、38.89 mg/g，在最高濃度抗生素的作用下PHB的合成量與降解量僅為空白組的70.67%與69.82%，說明高濃度的磺胺甲唑顯著抑制了PHB的厭氧生成量（P＜0.01）及好氧降解量（P＜0.05）。結合圖4可知，生物除磷胞內PHB合成所需的能量主要來自于poly-P的水解，高濃度的磺胺甲唑顯著抑制了微生物poly-P的厭氧降解量，從而抑制了PHB的合成。

糖原是微生物體內的另一種重要儲能物質，糖原在厭氧階段分解產生的還原力用于合成PHB，而在好氧階段PHB則會分解產生一部分能量用于補給糖原〔25〕?；前芳走驅μ窃孔兓挠绊懭鐖D6所示。

圖6 磺胺甲唑對典型周期內糖原含量變化的影響Fig.6 Effect of sulfamethoxazole on the change of glycogen content in typical cycle

2.3 磺胺甲唑對生物除磷關鍵酶活性的影響及微觀機制

PPX與PPK作為聚磷菌體內的主要功能酶，其與poly-P的代謝息息相關〔26-27〕。根據試驗方法，測定了磺胺甲唑對統一穩定周期內各反應器中PPX及PPK活性的相對抑制效應，結果如圖7所示。

圖7 磺胺甲唑對關鍵酶的相對抑制率Fig.7 Relative inhibition rate of sulfamethoxazole on key enzymes

圖8 磺胺甲唑與PPX、PPK分子對接三維圖及二維圖Fig.8 Molecules docking results of sulfamethoxazole with PPX and PPK

2.4 討論

通過對典型周期正磷酸鹽、微生物代謝中間產物含量及關鍵酶活性的變化分析可以得到磺胺甲唑對生物除磷性能的影響機制。圖9為磺胺甲唑對生物除磷過程中微生物的作用機制圖。在厭氧狀態下，微生物利用胞內poly-P水解產生的能量及糖原降解提供的還原力來累積PHB，而磺胺甲唑的存在會使得PPX活性降低，從而導致胞內poly-P的分解量降低，使得PHB合成所需能量不足，且胞內糖原的降解并非全部用于PHB的合成。在好氧階段，磺胺甲唑的存在會對PPK活性產生抑制作用，且poly-P合成所需的磷源含量降低，導致poly-P的合成量降低，而前期厭氧階段PHB的儲備量減少，且更多的PHB降解所產生的能量被應用于糖原的合成，用于好氧吸磷的能量則更少。

圖9 磺胺甲唑對除磷過程中微生物作用機制Fig.9 Mechanism diagram of sulfamethoxazole on microorganism in phosphorus removal process

3 結論