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user: 3. 结果与讨论 3.1. 污泥的基本性质 接种污泥(即驯化后污泥)和实验污泥(即厌氧消化反应所用污泥)的基本性质如表1所示。接种污泥和实验污泥的pH初始值分别为8.0和7.5，适于进行厌氧消化反应 [ 13 ] 。两种污泥的TS含量均大于15%，属于高含固率污泥，VS的含量范围为7.7%~11.8%。接种污泥中TAN和TA分别为3530 mg/L和11，200 mg/L，相应地，实验污泥中TAN和TA分别为2690 mg/L和9010 mg/L。 厌氧消化过程中污泥pH [ 14 ] 、VS/TS [ 15 ] 、TAN [ 16 ] 、TA [ 17 ] 的变化情况可用来判断反应的稳定性。 通常，在反应的初始阶段(0~20 d，第I泥龄)，这些指标的变化范围较大，而在反应后期(如40~60 d，第III泥龄)变化较小。例如，初始阶段污泥的pH值在8.0~8.4之间；反应后期pH值相对稳定，在8.0左右。同样，初始阶段VS/TS变化幅度较大(39.2%~51.3%)，反应后期趋于稳定，其平均值为48.8%，标准偏差仅为0.2%。这说明在初始阶段随着实验污泥的加入，改变了由接种污泥形成的厌氧消化反应平衡，导致系统处于不稳定状态。经过两个泥龄(40天)的运行，系统达到稳定状态。在反应稳定阶段(40~60 d，第III泥龄)，反应器每天产气量的平均值为7.2 L。 3.2. 污泥中多溴联苯醚的含量 接种污泥和实验污泥中19种PBDEs同系物(BDE-17、28、33、47、49、66、99、100、138、153、154、183、190、196、203、206、207、208和209)的含量如表2所示。每种目标物均可以在污泥样品中检测到，表明PBDEs已广泛存在于上海市政污泥中，这与先前的研究结果相似 [ 12 ] 。以干重计，接种污 泥中19种PBDEs的总浓度( )为357 ng/g dw，远远低于实验污泥中PBDEs的总含量(19，000 ng/g dw)，这可能与两个污水处理厂的污水来源有关。两种污泥样品中，十溴联苯醚(BDE-209)都占绝对比例，分别为92.1% (接种污泥)和99.9% (实验污泥)，然后依次是BDE-207、208、206、203、193、99和47等。污泥中PBDEs同系物分布特征主要与我国大量生产和使用十溴联苯醚工业品有关，其主要成份是BDE-209。在我国其它环境介质如土壤 [ 18 ] 、沉积物 [ 19 ] 和室内灰尘 [ 20 ] 等样品中，也发现了类似的分布特征。 Table 1 Basic characteristics of inoculated and experimental sludg 参数 接种污泥 实验污泥 初始值 初始值 0~20 d (第I泥龄) 21~40 d (第II泥龄) 41~60 d (第III泥龄) pH 8.0 7.5 8.0~8.4 8.1~8.3 8.0~8.1 总固体TS (%) 19.7 20.3 18.2~19.7 17.7~19.0 17.9~18.4 挥发性固体VS (%) 7.7 11.8 7.7~9.8 8.3~8.8 8.8~9.1 挥发性固体/总固体VS/TS (%) 39.2 58.1 39.2~51.3 44.3~48.7 48.2~50.1 总氨氮TAN (mg/L) 3550 2690 5100~6400 5370~6540 3490~6850 总碱度TA (CaCO 3 ， mg/L) 11200 9010 10，200~11，500 11，800~12，300 12，000-12，400 产气量(L) - - 6.5~9.5 6.1~8.4 6.3~8.3 表1. 接种污泥和实验污泥的基本性质 Table 2 The concentrations of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in inoculated and experimental sludg PBDEs (ng/gdw) 接种污泥 初始值 实验污泥 初始值 PBDEs (ng/g dw) 接种污泥 初始值 实验污泥 初始值 PBDEs (ng/g dw) 接种污泥 初始值 实验污泥 初始值 BDE-17 0.2 0.3 BDE-100 0.5 0.7 BDE-203 0.9 10.7 BDE-28 0.5 0.9 BDE-138 0.5 0.5 BDE-206 0.7 125 BDE-33 0.1 0.1 BDE-153 0.4 0.9 BDE-207 13.4 284 BDE-47 0.6 1.9 BDE-154 0.7 0.6 BDE-208 7.2 260 BDE-49 0.1 0.1 BDE-183 0.6 1.7 BDE-209 329 18300 BDE-66 0.2 0.3 BDE-190 0.8 0.7  18 PBDEs 28.3 703 BDE-99 0.6 1.8 BDE-196 0.4 13.6  19 PBDEs 357 19000 表2. 接种污泥和实验污泥中多溴联苯醚的含量 3.3. 污泥厌氧消化过程中多溴联苯醚的变化 根据污泥中PBDEs同系物的分布特征，该部分选择主要目标物(BDE-209、208、207、206、203、196、183、153、138、99、47和28)作为对象，研究其在污泥厌氧消化过程中PBDEs的变化规律。 对于厌氧消化反应器内污泥中的BDE-209，存在两种来源。其一是实验污泥的添加导致其不断增加，其二是微生物的降解导致其逐渐减少，二者在不同反应阶段对BDE-209质量变化的贡献不同，致使BDE-209质量呈现上升或下降的趋势(图1)。在第I泥龄和第II泥龄阶段初期，BDE-209质量呈现增加现象，主要是因为该物质在实验污泥中的浓度(18300 ng/g dw)远远高于接种污泥含量(329 ng/g dw)，会迅速增加反应器内BDE-209的质量，而此时厌氧反应尚未稳定，微生物的降解程度可能相对较低。在第III泥龄阶段，厌氧反应已经稳定，微生物酶活性增强，BDE-209的质量则呈现下降趋势，平均减少7820 μg。若考虑整个厌氧反应过程中(0~60 d)BDE-209质量的减少情况，则减少量约为19，600 μg，约占总质量的67.5%，表明在60天的厌氧消化过程中，污泥含有的BDE-209有67.5%发生了降解。 导致其它PBDEs同系物质量发生变化的有三部分作用，即实验污泥的添加、BDE-209的脱溴生成、微生物的降解。总体上，这些同系物呈现出不同的变化规律(图1)。BDE-208和207在第I泥龄阶段均出现了减少趋势，表明微生物产生的降解作用要大于实验污泥的添加和高溴代PBDEs的脱溴生成作用之和。在第I和III泥龄阶段，BDE-208和207的质量处于增加状态。对于BDE-203和196，在第I和II泥龄阶段均呈现减少现象，但绝对质量变化不大，平均值分别为1.6 μg和2.9 μg，在第III泥龄阶段开始增加。其余的PBDEs，包括BDE-206、183、153、138、99、47、28，其质量在整个消化反应过程中一直处于增加状态，平均增加量分别为0.55、0.34、0.12、0.38、0.68和0.33 μg。接种污泥(即驯化后污泥)和实验污泥(即厌氧消化反应所用污泥)的基本性质如表1所示。接种污泥和实验污泥的pH初始值分别为8.0。 3.4. 污泥中BDE-209的降解产物 低溴代PBDEs质量的增加表明了BDE-209在厌氧消化反应过程中发生了脱溴降解。前人研究表明，含卤化合物可以在厌氧条件下可以进行还原脱卤降解 [ 10 ] [ 21 ] 。在这些反应中，含卤化合物通常作为微生物呼吸和共代谢过程的电子受体。在本研究中，三种九溴代同系物BDE-208、207和206质量的增加幅度较大，平均值分别为11.8、106和179 μg，说明BDE-209首先脱溴生成九溴化合物。另外，BDE-206和207质量的增加量约为BDE-208的十倍，根据化合物分子结构，推断出BDE-209脱溴降解主要发生在邻位和间位溴原子上。Lee等在共培养菌GY2(由Dehalococcoides和Desulfovibrio组成)快速降解BDE-47、99和100过程中，也发现邻位上的溴原子会被优先脱去 [ 22 ] 。然后，Tokarz等以沉积物为培养基质对BDE-209进行厌氧降解，观察到三种九溴同系物(BDE-206、207和208)均有明显增加，脱溴程度与溴原子位置无明显关系 [ 10 ] 。也有研究发现，厌氧条件下BDE-209的降解主要发生在对位和间位，生成BDE-208和BDE-207，而邻位脱溴产物BDE-206没有明显增加 [ 23 ] 。厌氧降解过程中PBDEs脱溴位置的差别可能与微生物种类有关，其具体机理有待于进一步研究 [ 24 ] 。 此外，我们还分析了污泥厌氧消化过程中PBDEs所含溴元素的变化规律，如图2所示。在反应初始，反应器中仅有接种污泥，此时溴元素含量为4.1 μmol (以物质的量计)。随着实验污泥的加入，溴元素的含量逐渐增多。在第I泥龄阶段结束时，溴元素含量达到102 μmol，增加超过20倍；然而在第II泥龄阶段，溴元素含量变化不大，在100~201 μmol之间(平均值为152 μmol)，并随反应时间延长有减少趋势。在第III泥龄阶段，厌氧消化反应进入稳定阶段，溴元素含量也相对稳定，在64.5~166 μmol之间，平均值为123 μmol，略低于第II泥龄阶段的平均值。同时，假定污泥中PBDEs在未发生生物降解情况下，我们计算了所含溴元素的物质的量，可以发现其随着实验污泥的加入，一直处于增加状态。在第I泥龄和第II泥龄阶段前半段(30 d)，溴元素的理论值和实测值基本相同，表明PBDEs从高溴代同系物全部脱 图1. 污泥厌氧消化过程中多溴联苯醚同系物总质量变化率 溴生成低溴代同系物，即污泥中PBDEs主要组份BDE-209，全部脱溴生成了BDE-206、207和208，而无其它含溴化合物的产生。从第II泥龄阶段后半段(31 d)开始，溴元素含量的实测值一直小于理论值，在第60 d，该差值达到197 μmol，占理论值的64.6%。此差值说明PBDEs厌氧降解生成了其它溴代化合物，可能是目标物以外的低溴代PBDEs同系物，也可能是非PBDEs的含溴化合物。对于这些潜在的降解产物，则需要利用同位素示踪技术和质谱技术、并结合可能降解途径进一步确定其结构。 3.5. 污泥中降解PBDEs厌氧菌的初步分析 为进一步确定厌氧消化过程中对PBDEs产生降解作用的细菌种类，我们分别采集不同反应阶段的污泥样品进行了微生物群落分析。样品共有四组，包括第0天污泥(接种污泥)、第20 d污泥(代表第I泥龄阶段)、第40 d污泥(代表第II泥龄阶段)和第60 d污泥(代表第III泥龄阶段)。 污泥样品中测定的物种有细菌和古细菌，共覆盖46门，其中厚壁菌门(Firmicutes)是最主要的门，在0 d、20 d、40 d和60 d污泥样品中的相对丰度分别为62.9%、61.7%、57.4%和59.3%。其次是变形菌门 图2. 污泥厌氧消化过程中多溴联苯醚所含溴元素的变化 (Proteobacteria)，在四个污泥样品中所占比例分别为20.6%、18.4%、22.1%和17.3%，也处于优势地位。然后依次是放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、WS6门、浮霉菌门(Planctomycetes)、互养菌门(Synergistetes)、TM7门、拟杆菌门(Bacteroidetes)、OP9门、装甲菌门(Armatimonadetes)和广古菌门(Euryarchaeota)，相对丰度在0.1%到10%之间，余下各门相对丰度大都在0.1%以下。这与前期的研究结果类似 [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] 。例如：Chouari等 [ 25 ] 发现Firmicutes和Actinobacteria是厌氧消化污泥中主要的细菌门类，相对丰度为21.8%，其次为Chloroflexi (20.2%)、Bacteroidete (14.5%)和Proteobacteria (14.4%)。另外，OP10、WS3、OP8、TM6、OD1和C2等这些未培养的类群，也常在厌氧污泥中被检测到，且可作为潜在的门或纲 [ 27 ] 。 Chloroflexi门的厌氧绳菌纲(Anaerolineae)包含一些嗜热菌和中温菌，在厌氧污泥中常被检出 [ 28 ] 。前期研究表明，Chloroflexi中的脱卤球菌属(Dehalococcoides)具有还原脱卤作用，可以脱去PBDEs中的溴原子 [ 9 ] 。本研究中未检测到Dehalococcoides，但在60 d污泥样品中检测到了脱卤球菌科(Dehalococcoidaceae)，相对丰度为0.008%，其很有可能在PBDEs的降解中起到一定作用。且在厌氧消化过程中，Chloroflexi的相对丰度随时间不断增加，这可能加快污泥中PBDEs的降解。 本研究仅对污泥中可能降解PBDEs的菌种进行了探讨，未来的研究需要对单一菌种的脱溴机理展开研究，从实际污泥样品中分离、筛选和优化出有利于PBDEs降解的微生物优势菌种。