集成海洋Macroalgae (Chaetomorpha最大值),移动床生物反应器的营养物去除Maricultural废水

文摘

而不是直接从废水营养物去除,另一种方法针对营养恢复从水产养殖废水可以使水产养殖生产的可持续管理。本研究表明培养海洋macroalgae(的可行性Chaetomorpha最大值),移动床生物反应器(MBBR-MA),去除氮和磷在水产养殖废水以及产生macroalgae生物量。MBBR-MA显著增加同时去除硝酸盐和磷酸盐只有MBBR相比,导致平均总氮(TN)和总磷(TP)的去除效率 %, %,分别在MBBR-MA MBBR没有TN和TP的去除能力。没有检测到化学需氧量(COD)删除在这两个反应堆。磷可能是一个限制因素对氮吸收当N: P比值增加。回收氮、磷导致一个特定的增长率3.86% - -10.35% /天c .最大值一个吸收N: P比6。macroalgae的存在改变了微生物群落的生物过滤器和水通过减少变形菌门的相对丰度和Nitrospirae增加大量的拟杆菌门。这些发现表明macroalgae的集成c .最大值MBBR可以代表一个有效的废水处理选项,尤其是对循环水系统的海洋。

1。介绍

在水产养殖废水除磷氮和生产系统是至关重要的减少接受水的富营养化,确保行业的可持续发展。有限的土地和水资源可用性限制了水产养殖的进一步扩张。越来越有兴趣密集的陆地海洋水产养殖的发展,特别是循环水产养殖系统(ras),可以重用的水经过一系列的处理工艺(1]。生物过滤器的核心是水处理单元在一个RAS,氨、氮的最有毒的形式,是由ammonia-oxidizing细菌转化为亚硝酸盐(AOB),然后进一步转换nitrite-oxidizing硝酸细菌(头)(2]。移动床生物滤池(MBBR)广泛用于ras由于其优越的特性,包括充分混合,有效的传质,污染物去除率高,相对较小的空间需求(3]。然而,硝态氮和磷的浓度往往积累MBBR系统的高价值,甚至硝酸盐可能达到数百mg / L (4- - - - - -6]。它已经表明,高硝酸盐浓度也可以构成潜在危险的物种(7- - - - - -9]。没有适当的治疗,硝酸和磷排放的含盐废水可导致富营养化相邻生态系统(10]。

生物脱氮转化为硝酸盐和亚硝酸盐氮气体已经应用在ras (11];然而,这个过程面临的业务挑战,如要求大量的碳输入、技术管理,和一氧化二氮的排放12,13]。此外,从系统消除硝酸盐废水通过氮气减少了养分回收效率。磷被认为是生存限制营养在许多水系统,可被植物、微生物、化学物质,而没有有效的方法已经开发在RAS磷,特别是溶解磷消除。Yogev et al。14)结合反硝化与厌氧消化磷的可持续回收再利用作为植物的肥料新鲜的RAS。Macroalgae已用于水净化由于其高氮和磷酸盐的去除效率,使它们适合生物质生产和作为生物燃料原料的资源(15,16]。macroalgae的使用可以显著减少收获和脱水成本相比,微藻由于其密度更大的规模和趋势增长浮动垫或substrate-attached领地17]。Macroalgae通常用于集成multitrophic水产养殖(IMTA)系统保持水质,作为养殖鱼类的食物(18]。Bambaranda et al。19]试图利用Caulerpa lentillifera作为营养物去除bioremediatory物种代替MBBR macroalgae RAS,大量的需要实现所需的高功效。然而,没有研究调查的可行性将macroalgae MBBR在船用污水处理。

Nambiar和Bokil20.]提出microalgae-bacteria财团的概念来研究氮的吸收,和几个研究进行研究微藻和细菌的相互作用(21]。macroalgae和微藻都有无数对微生物群落结构的影响和水生生物通过直接改变水的营养物质,调节水文电导率,通过他们的身体运送氧气,分泌化学物质作为催化剂(22,23]。一些细菌和藻类在系统中有一个互惠关系,细菌可以通过氨转化为亚硝酸盐或硝酸盐,可以利用藻类,藻类产生氧气和有机物对细菌的生长。与传统的单步治疗相比,水产养殖水的氮去除效率可以提高利用的协同效应发生在多个物种(24]。

Chaetomorpha最大值,以盛开的性质以及宽容波动水族馆条件,是一个合适的海洋macroalgae (MA)物种对水产养殖废水营养恢复和生物质生产(25]。在我们的初步研究,Chaetomorpha最大值是一个很好的海参饲料候选人。在这项研究中,集成MBBR-MA (Chaetomorpha最大值)循环系统是建立评价氮除磷性能以及macroalgae生物质生产通过比较它们与MBBRs没有macroalgae文化。包含macroalgae如何影响微生物群落组成在水体和生物过滤器也进行了分析。本研究为应用程序提供了基础的MBBR-MA系统,可以减少养分积累在水产养殖废水,提高水产养殖生产系统的可持续性。

2。材料和方法

2.1。实验装置和操作过程

综合循环MBBR-MA系统的示意图如图1。MBBR-MA系统包括一个20 L贮水箱,两个3.5 L MBBRs和150 L上升气流藻类反应堆。实验室MBBR挤满了环塑料悬浮填料(64孔)填充率为30%。覆盖了MBBR停电布避免光。储罐的水由潜水泵解除MBBR然后藻类反应堆,最终流回贮槽。一个水下光15000 lx光强度在藻类反应堆,白光和红的比例是1:3。

三个复制的两个治疗,MBBR-MA MBBR,被用来测试营养物去除性能。在实验的开始,50克马(Chaetomorpha最大值)是储存在每个藻三个反应堆的MBBR-MA治疗,而没有马了MBBR治疗。美联储系统模拟废水maricultural准备使用发酵大西洋鲑鱼残留的粪便(26]。残留的粪便干在105°C 48 h,然后破碎成粉末,混合着海水。一个解决方案的混合厌氧发酵5 d使用前在一个密封的容器。影响废水质量调整如下:北半球₄⁺- n, mg / L;没有₂^{- - - - - -}- n, mg / L;没有₃^{- - - - - -}- n, mg / L;阿宝₄^{3 -}- p, mg / L;总磷、 mg / L;化学需氧量(COD), mg / L,盐度、31‰。两个系统在循环操作模式7.5毫升/分钟的速度实现水力停留时间(HRT) 24 h。实验持续了75 d,包含15个周期,每个周期操作的4 d,间隔1 d改变废水。整个实验周期分为两个阶段,我持续10周期阶段和第二阶段持续5周期。阶段我是为了评估营养物去除效率MBBR-MA和MBBR之间。的新鲜海藻MBBR-MA系统每次循环后称重。第二阶段旨在验证MBBR是否可以恢复后去除藻类的反应堆。I期后,藻类MBBR-MA系统中被移除。藻类生物反应器都是清洁,所有的水下灯被移除。

2.2。水和生物膜组

水样(250毫升)被从水中藻类生物反应器出口的样品带所有六个系统每12 h总氨氮的分析(TAN),亚硝酸盐氮(NO₂^{- - - - - -}- n)、硝酸盐氮(NO₃^{- - - - - -}- n)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)根据标准方法(27]。所有的水样本存储在4°C后立即收集和分析了12个小时。生物过滤器和水的微生物标本的末尾阶段我从六(10周期)系统。在细节,15塑料悬浮填料是从每个MBBR系统随机选择的。收集的生物膜附着在填料是在100年30毫升无菌海水摇晃μ80 L的稳定器(渐变洗涤剂溶液)使用一个旋涡混合器10分钟。那么,解决方案是透过0.22μm聚碳酸酯过滤器(微孔,伯灵顿,妈,美国)收集微生物。同样,从每500毫升的水采样系统是透过0.22μm聚碳酸酯过滤器(微孔、马、美国)收集水中的微生物。处理过的样品都是储存在DNA提取前−80°C。

2.3。DNA提取和高通量测序

过滤器上的总DNA提取E.Z.N.A.®水DNA工具包(美国GAωBio-Tek, Norcross)根据制造商的协议。12微生物的DNA样本(6生物膜微生物样品和六水微生物样本)被聚合酶链反应(PCR)扩增异形使用515 f - 806 r引物。PCR产品在2%琼脂糖凝胶电泳分离,纯化使用SanPrep DNA凝胶萃取设备,然后用NanoDrop量化。纯化混合物终于深测序HiSeq2500测序平台(Illumina公司、圣地亚哥、钙、美国)。

2.4。测序数据的处理

原始数据从HiSeq2500测序平台处理Cutadapt和UCHIME算法获得干净的读取28,29日]。清洁没有嵌合体集群读入操作分类单元(辣子鸡)在97%相似性UPARSE [30.]。代表序列处理QIIME 1.9.1被用于分类作业的基础上,席尔瓦(31日)和SSUrRNA数据库(32]。α多样性指数的值(Chao1丰富性估计量、香农指数和辛普森指数)获得使用QIIME 1.9.1包。分层集群生成热点图和主坐标分析(PCoA)进行了基于加权UniFrac发现辣子鸡的距离,与R包素食主义者。

2.5。统计分析

具体的增长率(SGR, % / d) macroalgae测定使用以下公式: 在哪里(g)是最初的鲜重,(g)的鲜重 ,和(d)的时间间隔。

氮、磷和COD去除效率(RE)使用以下公式计算: 在哪里(毫克/升)(毫克/升)的氮、磷,或在水中COD浓度开始时,每个周期后,分别。

使用SPSS 20.0软件进行统计分析,包括学生 - - - - - -测试和单向方差分析(方差分析)。数据的报告 (SD)。受到学生的数据 - - - - - -测试。一个< 0.05被认为是具有统计学意义的价值。

3所示。结果与讨论

3.1。长期的氮、磷去除性能

棕褐色的变化,没有₂^{- - - - - -}- n,没有₃^{- - - - - -}- n和TP动态MBBR-MA和MBBR系统如图2。谭浓度在每个周期的开始 mg / L和减少 (MBBR-MA)和 (MBBR) mg / L(图在每个周期2(一个))。我在舞台上,谭删除后消除零级动力学MBBR系统在第一次四天的周期,而MBBR-MA系统TAN去除率较高,表明马了谭吸收,微生物的MBBR谭中扮演主要的角色转换。这个结果符合第二阶段,当马从藻类反应堆MBBR-MA系统,没有发现差异的谭消除在两个系统。

亚硝酸盐,硝化作用的中间产品,积累的峰值 mg / L在头两天和进一步氧化成硝酸盐MBBR系统(图2 (b))。在舞台上我,亚硝酸盐积累MBBR系统显著( )高于MBBR-MA系统,这可能是由于亚硝酸盐和氨同化马和相对较低的氨浓度利用细菌MBBR-MA系统。因此,当海藻被逐出MBBR-MA在第二阶段中,谭加载引起的突然增加略高比MBBR MBBR-MA亚硝酸盐积累。硝化过程导致一个恒定的平均硝酸盐的积累 MBBR mg / L(图2 (c))。另一方面,硝酸盐浓度降低 mg / L的末尾阶段我MBBR-MA系统(图2 (c)),它可以解释为马的吸收。硝酸直接吸附在硝酸还原马扮演了非常重要的角色,这证实了通用电气和香槟(17]。当马从藻类反应堆在MBBR-MA系统II期,硝酸盐积累感叹。

正如所料,对除磷(图MBBR没有贡献2 (d))。生物除磷是基于phosphate-accumulating生物体(有关)在无氧和有氧或缺氧条件下通过污泥回收(33]。MBBR不能丰富的有氧过程有关的生物膜,导致系统中磷的积累。手,消除了TP 0.35 mg / L的影响0.06 mg / L MBBR-MA污水的系统适应海洋macroalgae后三个周期。TP去除的高容量MBBR-MA是归因于海洋macroalgae磷化合物的吸收光合作用[34]。在我们的研究中,平均初始入渗N: P MBBR-MA比率是12.4,平均吸收N: P马的比率是6.0在第四天周期4周期10个阶段。一项研究表明,N: P比值大于15在温带地区磷酸表示限制了好几种马(35]。越高N: P比例比macroalgae吸收暗示磷废水流入的可用性是一个限制因素。maxima增长,抑制从水产养殖废水的进一步吸收氮。

3.2。一个周期内营养物去除效率

营养物去除效率在四天内循环如图3。谭去除效率增加逐步从第一天到第四天在每一个周期(图3(一个))。在舞台上我,平均累积谭去除效率是54.9% (MBBR-MA)和33.2% (MBBR)第一天,70.8% (MBBR-MA)和53.8% (MBBR)第二天,84.1% (MBBR-MA)和77.4% (MBBR)第三天,和86.9% (MBBR-MA)和86.0% (MBBR)第四日。据报道这一事实c .最大值更喜欢吸收氨氮源比硝酸氨浓度高于1.5 mg / L时,倾向于吸收亚硝酸盐和硝酸氨低于1.5毫克/升(25]。这些结果表明,马只有导致TAN删除在MBBR-MA主要在第一天谭浓度高于1.0 mg / L(图2(一个))。然而,两组之间的差异变得无关紧要的d4,表明微生物附着在谭MBBR扮演了非常重要的角色转换。可以验证这个假设在第二阶段没有明显( )区别这两种疗法在谭去除效率macroalgae时删除。

MBBR,硝化作用是主要的氨转换过程,氨氧化为亚硝酸盐和硝酸进一步氧化。在舞台上我,没有的积累₃⁻- n符合造成的退化TAN MBBR硝化过程解释了零TN的去除MBBR(图3 (b))。硝酸的减少主要从d2在MBBR-MA(图2 (c)),这意味着c .最大值首次利用氨氮源切换时硝酸氨低于近似1.0 mg / L。总的来说,氮的直接吸收c .最大值导致了TN去除MBBR-MA,平均TN的去除效率为42.8%,从34.4%到54.3%不等,第四天(图3 (b))。c .最大值表现出较高的去除效率在TP去除(平均80.0%)相比,TN去除(图3 (c))。这表明,相对较低的水产养殖废水中磷的可用性限制了氮吸收了马。然而,由于自养macroalgae吸收无碳的废水(图3 (d)硝酸),低水平MBBR-MA系统可能提高C: N比率可以促进反硝化过程,这可能对RAS的zero-exchange操作。

3.3。马增长的特点

藻类增长的体重增加和SGR MA在鲜重的基础上(表1)。鲜重增加,增长率逐渐加速的研究。第十期结束时,马的鲜重是564.03克,也就是说。,11次原始的藻类的重量。这些结果证实,马可以使用无机氮的增长,导致养殖水净化(36- - - - - -38]。然而,生长性能的macroalgae根据物种不同的用于种植。例如,石莼以生长在海水和污水废水(40%:60%)有一个岩石的0.5% /天(37]。在巴西,一项研究的发展和生物过滤macroalgae能力Gracilaria birdiae在坦克栽培SGR 3.6% /天(38]。我们的研究揭示了显著增长的性能,与苹果真正从3.86 - 10.35% /天不等,表明应用c .最大值可能是一个最佳的藻类替代治疗maricultural废水时。

3.4。在水中微生物多样性和生物过滤器的特点

3.4.1。Alpha-Diversity分析

共有855846个高质量的16 s rRNA基因序列读取得到的12生物过滤器和水样。每个库包含56298 - 87910读被规范化56298读的比较MBBR-MA之间的微生物群落多样性和MBBR系统(表2)。水样明显( )根据OTU微生物丰富度高于生物过滤器样品数量和Chao1索引值,而添加macroalgae不显著( )改变微生物丰富生物过滤器。此外,香农和辛普森指数表明,马没有显著改变生物过滤器样品中微生物群落的均匀度。水样的辛普森指数明显高于比那些没有藻类和藻类。α多样性分析的结果表明,生物膜中微生物群落丰富度和多样性较低的水样本,特别是香农和辛普森指数结果( ),这是符合先前的研究[39,40]。

3.4.2。β多样性分析

分析了微生物构成的不同系统之间的加权UniFrac距离和PCoA图(图4)。生物过滤器和水之间的明确分离样本观察PC1轴,占总数的75.97%细菌群落组成的变化。许多水生微生物能够殖民表面,导致生物膜的形成与专业属性(39,40]。因此,在多样性方面(表2)和组成、水和生物过滤器的细菌社区显然是不同的,反映了不同微生物群成分附在RAS生物过滤器相比,水产养殖系统的独立生存的社区在水相(41]。

样品可以沿着PC2 MBBR-MA和MBBR之间分离,这解释了总变异的14.81%细菌群落组成。这一结果表明,生物膜和水样的微生物群落被macroalgae的存在影响。马诱发更大的转变在水中的微生物群落生物过滤器。原因之一是,利用有限公司₂和释放的氧气在光合作用中可能会改变水的pH值,并进一步影响微生物群落组成(42,43]。另一个可能的原因可能是,减少氮浓度的海藻也可以影响微生物群落在MBBR所显示先前的研究[7,44]。

3.5。微生物群落组成

生物膜的微生物群落组成和水样分析了门,类,属分类单元水平(图5)。在门级,选择十大类群,剩下的门被指定到一个集群命名为“他人”(图5(一个))。结果表明,变形菌门(平均相对丰度(RA), 63.4%)是最丰富的所有样品门,紧随其后的是拟杆菌(平均RA, 22.4%),也发现在其他海洋MBBRs(丰度高的45- - - - - -47]。马的集成MBBR显著减少变形菌门的RA和Nitrospirae显著增加拟杆菌门的RA生物过滤器和水样。Nitrospirae是占主导地位的大人物在污水处理系统48),而许多拟杆菌物种已报告的有机碳降解能力(49]。丰度相对较低的Nitrospirae MBBR-MA生物过滤器样品可以解释为相对较低的亚硝酸盐浓度MBBR-MA系统(图中发现2 (b)),因为macroalgae也导致氨和亚硝酸盐的去除。另一方面,macroalgae也可能增强异养细菌的增长产生的有机化合物。

35最丰富的热图genus-level类群图所示5 (b)。一个清晰的分离生物过滤器和水样本观察。生物过滤器的样本,Halomonas,Leisingera,Pseudoalteromonas,unidentified_Gracilibacteria,Alteromonas,弧菌,Kordia治疗是最丰富的属。其中,macroalgae显著( )增加了RA的不明Gracilibacteria和Kordia在了MBBR MBBR-MA相比之下。据陈et al。50),属属于Gracilibacteria可以参与反硝化过程,硝酸盐的去除能力。根据保罗和Pohnert [51),Kordiaalgicidal细菌,可以释放蛋白酶作为algicidal蛋白质当他们收到来自藻类的信号指示细胞衰老。另一方面,macroalgae RA的显著降低Pseudoalteromonas和AlteromonasMBBR-MA系统相比MBBR系统。已经证明,属的成员Pseudoalteromonas参与生物膜的形成(52]。细菌的属Pseudoalteromonas和Alteromonas产生解聚酶和与macroalgal退化过程或algicidal活动(53,54]。属的低丰度可能有利于macroalgae的增长。此外,macroalgae减少了RA硝化细菌,包括亚硝化单胞菌MBBR MBBR-MA (0.49%, 0.80%)NitrospiraceaeMBBR MBBR-MA(1.22%, 1.76%),在生物过滤器。大人物的数值优势(例如,Nitrospiraceae)AOB(例如,亚硝化单胞菌)可能是一个通用的特点铵有限系统(55),这是在协议与其他研究氨的浓度相对较低(约2 mg / L)。大部分的主导微生物生物膜水样的出席非常低的水平,这强化了上述发现的微生物群的差异之间的水和生物膜。

细菌和macroalgae之间的密集的交互被确定,包括刺激抑制相互影响通过修改另一组的化学微环境通过代谢活动(55,56]。我们的研究显示,一个马文化结合MBBR改变了微生物群落在生物过滤器,降低硝化细菌的丰度和增加丰富的异养细菌通过吸收无机氮和有机物的释放。需要进一步的研究来确定macroalgae影响微生物功能的集成和氮的去除效率MBBR生物过滤器和调查潜在macroalgae和细菌之间的相互作用。

4所示。摘要和结论

一个集成MBBR-MA循环系统进行养分去除和macroalgae生物质生产。马的MBBR的TN去除效率从3.9%提高到了42.8%,主要由硝酸吸收,导致66.8% TP去除使海洋RAS的可持续经营。Chaetomorpha最大值实现一个特定的增长率为3.86 - -10.35% /天通过营养恢复,由马和吸收N: P比6。磷可能是一个限制因素Chaetomorpha最大值时吸收氮影响N: P比值增加。高通量测序结果显示转移水和生物过滤器样品的微生物组成的系统,没有macroalgae。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

作者的贡献

西安李和耶鲁邓小平的贡献同样应该考虑这个工作和co-first作者。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2017 yfd0701700),广东省重点研发项目(2019 b020215001),山东省农业应用技术创新项目和2018年中国农业研究系统(CARS-47)。

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