磺胺甲唑对生物除磷性能的影响及机制

辛浩洋，李家俊

（1.安徽工业职业技术学院，安徽铜陵 244000； 2.中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300452）

生物除磷技术一直以来被认为是有效抑制水体富营养化的重要途径〔9〕。目前常用的生物除磷技术主要依靠活性污泥中富集的聚磷菌（PAO）厌氧条件下释磷，好氧条件下吸磷的能力来去除水体中过量的正磷酸盐〔10-11〕。研究发现，抗生素作为环境污染物，对生物除磷系统有着不同程度的影响。Qiuxiang XU等〔12〕发现0.5 mg/L的诺氟沙星会导致SBR反应器除磷率由空白组的97.96%降低至82.33%，并且会显著抑制多聚磷酸盐激酶（PPK）、多聚磷酸盐水解酶（PPX）的活性。Sha LONG等〔13〕的研究表明高浓度的四环素会通过抑制聚磷菌胞内poly-P的积累及糖原的合成从而导致除磷性能降低。Kaixin YI等〔14〕发现高浓度的环丙沙星会显著抑制聚磷菌胞内糖原及PHAs在缺氧及好氧阶段的转化。然而污水中磺胺甲唑对生物除磷性能的研究目前较少，其对生物除磷的影响机制尚不清楚。

1 材料与方法

1.1 试验污泥及用水

试验所用的污泥取自合肥市某污水处理厂氧化沟末端，该污泥具有良好的脱氮除磷性能。

配制人工模拟废水：三水合乙酸钠 600 mg/L、氯化铵 73 mg/L、磷酸二氢钾 40 mg/L、氯化钙 95 mg/L、硫酸镁 95 mg/L、蛋白胨 5 mg/L、酵母膏 5 mg/L、烯丙基硫脲 4 mg/L（用于抑制硝化细菌生长〔15〕）、乙二胺四乙酸 10 mg/L。配制的模拟废水的COD为280 mg/L，正磷酸盐质量浓度为8.38 mg/L。

配制微量元素溶液：三氯化铁 1.5 mg/L、硼酸0.15 mg/L、碘化钾 0.18 mg/L、氯化锰 0.12 mg/L、钼酸钠 0.06 mg/L、硫酸锌 0.12 mg/L、六水合氯化钴 0.15 mg/L、硫酸铜 0.03 mg/L。

1.2 试验装置及运行

试验所用的反应器为9个相同的SBR反应器，其有效体积为6.0 L，内置机械搅拌器，采用BT100-2J型蠕动泵进水，ACO-002型空气泵进行曝气，并配置玻璃转子流量计控制曝气量大小，反应器每天运行6个周期，每周期4 h（进水10 min、厌氧搅拌1 h、好氧曝气2 h、静置45 min、出水5 min），所有运行均通过微电脑时控开关进行控制，实验装置见图1。试验首先向反应器中加入培养稳定的活性污泥混合液，然后向各反应器中投加一定量的磺胺甲

图1 反应器装置Fig.1 Reactor device diagram

唑，控制其质量浓度分别为0、0.05、0.1、1、5、10、20、40、60 mg/L。各反应器共计运行30周期，运行至20周期后各反应器的出水COD及正磷酸盐浓度保持稳定，即此时SBR达到稳定运行阶段。各反应器运行阶段控制pH维持在7.0～7.5，MLSS为（4 200±115）mg/L，厌氧期溶解氧控制在0.2 mg/L以下，好氧期溶解氧控制在2.0～5.5 mg/L。待各反应器运行稳定后测量相关指标来分析磺胺甲唑对生物除磷的影响及机制。

1.3 分析检测方法

1.3.1 指标检测方法

COD采用重铬酸钾法测定；正磷酸盐（SOP）采用钼锑抗分光光度法测定；微生物胞内多聚磷酸盐的含量采用钼锑抗分光光度法测定〔16〕；PHB的含量采用次氯酸钠法测定〔17〕；糖原的含量采用蒽酮-硫酸 比色法测定〔18〕；PPK、PPX活 性 的 测 定 参照文献〔19〕。

1.3.2 分子对接方法

1.3.3 数据处理

所有的试验数据应用SPSS 25.0软件进行显著性分析，差异性显著水平P＜0.05，极显著水平P＜0.01。

式中：I——磺胺甲唑对关键酶活性的相对抑制率，%；

R0——以单位MLSS计的空白对照组酶活性；

R——以单位MLSS计的实验组酶活性。

2 结果与讨论

2.1 磺胺甲唑对SBR性能的影响

有机物的去除率及除磷率是直接评价SBR反应器性能的重要指标。磺胺甲唑存在情况下对反应器出水COD及正磷酸盐含量的影响如图2所示。

反应器每周期进水COD为280 mg/L左右，由图2（a）可知，当反应器运行稳定时，空白组的出水COD为23.38 mg/L，COD去除率达到91.84%，当磺胺甲唑的质量浓度为0.05、0.1 mg/L时，出水COD为24.37、26.35 mg/L，去除率为91.50%与90.81%，表明低浓度的磺胺甲唑对SBR中COD的去除几乎无影响。当磺胺甲唑质量浓度提升至1 mg/L时，出水COD升高至36.93 mg/L，COD去除率降至87.11%，此后随着磺胺甲唑质量浓度升高至5、10、20、40、60 mg/L 时，COD去除率分 别降至86.16%、84.28%、83.11%、80.65%、79.63%，说明高浓度的磺胺甲唑对反应器COD的去除有明显的抑制作用（P＜0.01）。

当反应器运行稳定时，进水正磷酸盐质量浓度为8.38 mg/L，由图2（b）可知，空白组的出水正磷酸盐质量浓度为0.08 mg/L，去除率为99.11%，当磺胺甲唑质量浓度较低时（0.05、0.1 mg/L），正磷酸盐去除率为98.75%、98.03%，仍维持在较高水平，说明低浓度的磺胺甲唑对正磷酸盐的去除影响不显著。当磺胺甲唑的质量浓度为1 mg/L时，出水正磷酸盐质量浓度为0.59 mg/L，已超出城市污水排放的一级A标准，正磷酸盐去除率为93.02%，当磺胺甲唑质量浓度继续升高至5、10、20、40、60 mg/L时，正磷酸盐的去除率分别下降至89.25%、85.62%、82.01%、79.11%、78.5%，说明高浓度的磺胺甲唑会显著抑制反应器的除磷性能（P＜0.01）。

图3 磺胺甲唑对典型周期内正磷酸盐含量的影响Fig.3 Effect of sulfamethoxazole on SOP content in typical cycle

由图3可知，空白组的厌氧释磷量和好氧吸磷量分别为30.6、38.9 mg/L，当投加0.05、0.1 mg/L的磺胺甲唑时，微生物的厌氧释磷量为29.77、29.44 mg/L，在随后的好氧阶段，微生物的吸磷量为38.04、37.66 mg/L，与空白组差异均不大，说明较低浓度的磺胺甲唑对微生物的释磷吸磷影响不显著。当磺胺甲唑质量浓度为1 mg/L时，聚磷菌的厌氧释磷量与好氧吸磷量为27.26、35.06 mg/L，为空白组的89.1%、90.12%，说明此时开始体现出对释磷吸磷能力的抑制作用，而当磺胺甲唑质量浓度提高至5、10、20、40、60 mg/L时，微 生 物 的 厌 氧 释 磷 量 为26.66、26.59、24.57、23.71、22.71 mg/L，好氧吸磷量为34.14、33.77、31.45、30.34、29.29 mg/L，在最高浓度磺胺甲唑的作用下，微生物的释磷量与吸磷量仅为空白组的74.22%、75.29%，说明高浓度的磺胺甲唑显著抑制了聚磷菌的释磷与吸磷能力（P＜0.01），从而导致反应器除磷率降低。

2.2 磺胺甲唑对微生物代谢中间产物的影响

微生物代谢中间产物包括多聚磷酸盐（poly-P）、聚羟基烷酸酯（PHAs）及糖原，其含量与生物除磷过程的能量变化息息相关〔22-23〕。磺胺甲唑对生物除磷过程中胞内poly-P含量的影响如图4所示。

图4 磺胺甲唑对典型周期内poly-P含量变化的影响Fig.4 Effect of sulfamethoxazole on Poly-P content change in typical periods

由图4可知，空白组的poly-P的厌氧降解量与好氧合成量分别为8.62、9.57 mg/g，当加入较低质量浓度的磺胺甲唑时（0.05、0.1 mg/L），其厌氧降解量为8.41、8.35 mg/g，好氧合成量为9.34、9.15 mg/g，说明低浓度的磺胺甲唑不会影响微生物胞内poly-P的降解与合成。当磺胺甲唑的质量浓度为1 mg/L时，poly-P的降解量与合成量分别为7.63、8.25 mg/g，较空白组均有所下降。随着反应器内磺胺甲唑质量浓度增加至5、10、20、40、60 mg/L时，poly-P的 厌 氧 降 解 量 分 别 为7.46、7.27、6.7、6.53、6.41 mg/g，好氧合成量为8.05、7.96、7.36、7.1、7.12 mg/g，在最高浓度磺胺甲唑的作用下，poly-P的降解量及合成量仅为对照组的74.36%、74.4%，说明高浓度的磺胺甲唑会显著抑制胞内poly-P的降解与合成（P＜0.01）。结合图3分析可知，随着磺胺甲唑浓度的增加，除磷微生物的厌氧释磷量与好氧吸磷量降低，导致胞内poly-P合成所需的磷源含量降低，因而导致胞内poly-P的合成量减少。

有学者指出，SBR反应器中的除磷微生物胞内PHAs以聚β-羟基丁酸酯（PHB）为主，微生物利用PHB在好氧条件下分解产生的能量用于吸收磷酸盐并供应糖原，因此PHB的含量变化在除磷系统中十分重要〔24〕。磺胺甲唑对胞内PHB含量的影响如图5所示。

图5 磺胺甲唑对典型周期内PHB含量变化的影响Fig.5 Effect of sulfamethoxazole on the change of PHB content in typical cycle

由图5可知，空白组的PHB在厌氧阶段合成量为54.89 mg/g，在好氧阶段降解量为55.7 mg/g，当投加0.05 mg/L及0.1 mg/L的抗生素后，PHB的厌氧降解 量 分 别 为54.41、53.96 mg/g，好 氧 合 成 量54.66、53.79 mg/g，说明较低浓度的磺胺甲唑不会显著影响胞内PHB的降解与合成。当投加质量浓度为1、5、10、20、40、60 mg/L时，此时胞内的PHB厌氧合成量为48.02、45.73、44.19、41.22、39.8、38.79 mg/g；好氧降解量为45.82、44.4、43.51、40.8、39.37、38.89 mg/g，在最高浓度抗生素的作用下PHB的合成量与降解量仅为空白组的70.67%与69.82%，说明高浓度的磺胺甲唑显著抑制了PHB的厌氧生成量（P＜0.01）及好氧降解量（P＜0.05）。结合图4可知，生物除磷胞内PHB合成所需的能量主要来自于poly-P的水解，高浓度的磺胺甲唑显著抑制了微生物poly-P的厌氧降解量，从而抑制了PHB的合成。

糖原是微生物体内的另一种重要储能物质，糖原在厌氧阶段分解产生的还原力用于合成PHB，而在好氧阶段PHB则会分解产生一部分能量用于补给糖原〔25〕。磺胺甲唑对糖原含量变化的影响如图6所示。

图6 磺胺甲唑对典型周期内糖原含量变化的影响Fig.6 Effect of sulfamethoxazole on the change of glycogen content in typical cycle

2.3 磺胺甲唑对生物除磷关键酶活性的影响及微观机制

PPX与PPK作为聚磷菌体内的主要功能酶，其与poly-P的代谢息息相关〔26-27〕。根据试验方法，测定了磺胺甲唑对统一稳定周期内各反应器中PPX及PPK活性的相对抑制效应，结果如图7所示。

图7 磺胺甲唑对关键酶的相对抑制率Fig.7 Relative inhibition rate of sulfamethoxazole on key enzymes

图8 磺胺甲唑与PPX、PPK分子对接三维图及二维图Fig.8 Molecules docking results of sulfamethoxazole with PPX and PPK

2.4 讨论

通过对典型周期正磷酸盐、微生物代谢中间产物含量及关键酶活性的变化分析可以得到磺胺甲唑对生物除磷性能的影响机制。图9为磺胺甲唑对生物除磷过程中微生物的作用机制图。在厌氧状态下，微生物利用胞内poly-P水解产生的能量及糖原降解提供的还原力来累积PHB，而磺胺甲唑的存在会使得PPX活性降低，从而导致胞内poly-P的分解量降低，使得PHB合成所需能量不足，且胞内糖原的降解并非全部用于PHB的合成。在好氧阶段，磺胺甲唑的存在会对PPK活性产生抑制作用，且poly-P合成所需的磷源含量降低，导致poly-P的合成量降低，而前期厌氧阶段PHB的储备量减少，且更多的PHB降解所产生的能量被应用于糖原的合成，用于好氧吸磷的能量则更少。

图9 磺胺甲唑对除磷过程中微生物作用机制Fig.9 Mechanism diagram of sulfamethoxazole on microorganism in phosphorus removal process

3 结论