給水生物預(yù)處理系統(tǒng)中微生物的群落結(jié)構(gòu)分析.pdf

1、微污染原水中的溶解性有機(jī)物與氨氮問題難以用傳統(tǒng)的凈水工藝解決，在常規(guī)凈水工藝之前增設(shè)生物預(yù)處理工藝，對(duì)給水水質(zhì)的改善有十分重要的作用。在生物預(yù)處理系統(tǒng)中，生物膜內(nèi)的原核微生物是微污染原水中碳元素和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除的主要承擔(dān)者。原水中氨氮和亞硝氮的去除由化能自養(yǎng)的氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌相繼完成，其中由AOB完成的將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的過程是硝化反應(yīng)的限速步驟。給水生物預(yù)處理反應(yīng)器提供了特殊的貧營(yíng)養(yǎng)生物膜環(huán)境，對(duì)反應(yīng)器中微生物

2、群落及生態(tài)功能的全面認(rèn)識(shí)有助于了解影響污染物降解效率和穩(wěn)定性的因素，并將為環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)研究提供有意義的信息。 本論文綜合使用多種分子生物學(xué)手段，包括核酸提取、分子克隆文庫構(gòu)建、16SrDNA序列同源性分析、反轉(zhuǎn)錄PCR、變性梯度凝膠電泳(DGGE)和實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)等，分析用于給水預(yù)處理的生物接觸氧化反應(yīng)器系統(tǒng)中的微生物群落組成，并重點(diǎn)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的氨氧化細(xì)菌群落進(jìn)行研究，結(jié)合相關(guān)參數(shù)，探討氨氧化細(xì)菌種群動(dòng)態(tài)變化、環(huán)境因

3、子變化以及反應(yīng)器氨氮去除效率間的相互關(guān)系，探索以分子手段對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可行性。 對(duì)細(xì)菌16SrDNA片段克隆文庫的克隆子序列同源性分析結(jié)果表明，生物接觸氧化反應(yīng)器中細(xì)菌群落多樣性豐富，至少包含了細(xì)菌域的13個(gè)細(xì)菌類群，其中屬于α-、β-、γ-變形菌綱的克隆子是克隆文庫中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群。反應(yīng)器內(nèi)富集了各種貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌，屬于α-變形菌綱的紫色非硫細(xì)菌Rhodobacter可能是反應(yīng)器中進(jìn)行有機(jī)物分解的重要細(xì)菌種群，Ni

4、trospira屬細(xì)菌是反應(yīng)器中亞硝酸鹽氧化反應(yīng)的承擔(dān)者。經(jīng)由純培養(yǎng)方法得到的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與克隆文庫方法相比存在很大的差異。 對(duì)上?；菽纤畯S和航頭水廠生物接觸氧化反應(yīng)器中生物膜樣品的AOB群落通過不同的目標(biāo)片段(16SrRNA片段和編碼氨單加氧酶活性部位的amoA片段)結(jié)合不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線進(jìn)行分析。結(jié)果表明在進(jìn)行氨氧化細(xì)菌生態(tài)學(xué)研究時(shí)選擇合適的目標(biāo)片段、引物對(duì)、以及合理的分析手段和實(shí)驗(yàn)流程的重要性。給水生物接觸氧化反應(yīng)器中的A

5、OB至少由3種種群組成：屬于Nitrosomonasoligotrophalineage的AOB種群、屬于Nitrosomonascommunislineage并與其中的Nitrosomonasnitrosa同源性較高的AOB種群、以及一種尚未得到純培養(yǎng)物的未知AOB種群。結(jié)合DNA來源和RNA來源的AOB16SrRNA和amoA片段擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行的DGGE分析結(jié)果表明在兩個(gè)水廠的生物接觸氧化反應(yīng)器中的AOB顯示了相同的種群結(jié)構(gòu)和季節(jié)變遷

6、特征，說明AOB種群在給水生物預(yù)處理反應(yīng)器中遵循特定的環(huán)境變化適應(yīng)機(jī)制。對(duì)基于RNA的擴(kuò)增片段進(jìn)行DGGE指紋圖譜分析能夠更敏感地反映生物膜樣品中AOB的種群結(jié)構(gòu)變化。研究結(jié)果還表明同源于N.nitrosa的AOB對(duì)環(huán)境溫度的改變較敏感，在溫度較高時(shí)顯示了較高的生理活性和功能活性。 運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)對(duì)生物膜樣品中總細(xì)菌和總氨氧化細(xì)菌的16SrDNA片段進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明在生物接觸氧化反應(yīng)器內(nèi)總細(xì)菌和總AOB的細(xì)胞數(shù)

7、量在一年內(nèi)的波動(dòng)高達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)?？侫OB細(xì)胞數(shù)占總細(xì)菌數(shù)的0.23％至1.8％。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明生物膜內(nèi)細(xì)胞數(shù)量的這種波動(dòng)與原水的溫度變化相關(guān)，且生物膜內(nèi)總氨氧化細(xì)菌的細(xì)胞數(shù)量與反應(yīng)器的氨氮去除效率呈正相關(guān)。 對(duì)生物接觸氧化反應(yīng)器內(nèi)3種AOB種群的amoA基因片段進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析，結(jié)果表明，一年內(nèi)生物膜中的AOB種群結(jié)構(gòu)變化很大，類N.oligotropha和類N.nitrosa氨氧化細(xì)菌在一年中交替成為反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)AO

8、B種群。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明同源于N.nitrosa的AOB種群和未知AOB種群的細(xì)胞數(shù)量變化與反應(yīng)器的氨氮去除效率波動(dòng)呈正相關(guān)，且后者更加顯著相關(guān)，表明未知AOB種群很可能就是反應(yīng)器內(nèi)影響氨氮去除效率的關(guān)鍵種群。且該種群細(xì)胞數(shù)量變化與溫度變化不相關(guān)，在12月至1月的低水溫環(huán)境中該種群具有較高的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這一研究結(jié)果對(duì)給水生物預(yù)處理反應(yīng)器在低溫環(huán)境的運(yùn)行優(yōu)化有重要的意義。本文還證明了實(shí)時(shí)熒光定量PCR是一種快速有效的分子監(jiān)測(cè)手段，在反應(yīng)器的運(yùn)