給水生物預處理系統(tǒng)中微生物的群落結構分析.pdf

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

2、群落及生態(tài)功能的全面認識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)學研究提供有意義的信息。 本論文綜合使用多種分子生物學手段，包括核酸提取、分子克隆文庫構建、16SrDNA序列同源性分析、反轉錄PCR、變性梯度凝膠電泳(DGGE)和實時熒光定量PCR技術等，分析用于給水預處理的生物接觸氧化反應器系統(tǒng)中的微生物群落組成，并重點對反應器內的氨氧化細菌群落進行研究，結合相關參數，探討氨氧化細菌種群動態(tài)變化、環(huán)境因

3、子變化以及反應器氨氮去除效率間的相互關系，探索以分子手段對反應器運行進行動態(tài)實時監(jiān)測的可行性。 對細菌16SrDNA片段克隆文庫的克隆子序列同源性分析結果表明，生物接觸氧化反應器中細菌群落多樣性豐富，至少包含了細菌域的13個細菌類群，其中屬于α-、β-、γ-變形菌綱的克隆子是克隆文庫中的優(yōu)勢細菌類群。反應器內富集了各種貧營養(yǎng)細菌，屬于α-變形菌綱的紫色非硫細菌Rhodobacter可能是反應器中進行有機物分解的重要細菌種群，Ni

4、trospira屬細菌是反應器中亞硝酸鹽氧化反應的承擔者。經由純培養(yǎng)方法得到的細菌群落結構與克隆文庫方法相比存在很大的差異。 對上?；菽纤畯S和航頭水廠生物接觸氧化反應器中生物膜樣品的AOB群落通過不同的目標片段(16SrRNA片段和編碼氨單加氧酶活性部位的amoA片段)結合不同的實驗技術路線進行分析。結果表明在進行氨氧化細菌生態(tài)學研究時選擇合適的目標片段、引物對、以及合理的分析手段和實驗流程的重要性。給水生物接觸氧化反應器中的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。結合DNA來源和RNA來源的AOB16SrRNA和amoA片段擴增產物進行的DGGE分析結果表明在兩個水廠的生物接觸氧化反應器中的AOB顯示了相同的種群結構和季節(jié)變遷

6、特征，說明AOB種群在給水生物預處理反應器中遵循特定的環(huán)境變化適應機制。對基于RNA的擴增片段進行DGGE指紋圖譜分析能夠更敏感地反映生物膜樣品中AOB的種群結構變化。研究結果還表明同源于N.nitrosa的AOB對環(huán)境溫度的改變較敏感，在溫度較高時顯示了較高的生理活性和功能活性。 運用實時熒光定量PCR技術對生物膜樣品中總細菌和總氨氧化細菌的16SrDNA片段進行定量分析，結果表明在生物接觸氧化反應器內總細菌和總AOB的細胞數

7、量在一年內的波動高達4個數量級?？侫OB細胞數占總細菌數的0.23％至1.8％。統(tǒng)計學分析表明生物膜內細胞數量的這種波動與原水的溫度變化相關，且生物膜內總氨氧化細菌的細胞數量與反應器的氨氮去除效率呈正相關。 對生物接觸氧化反應器內3種AOB種群的amoA基因片段進行實時熒光定量PCR分析，結果表明，一年內生物膜中的AOB種群結構變化很大，類N.oligotropha和類N.nitrosa氨氧化細菌在一年中交替成為反應器的優(yōu)勢AO

8、B種群。統(tǒng)計學分析表明同源于N.nitrosa的AOB種群和未知AOB種群的細胞數量變化與反應器的氨氮去除效率波動呈正相關，且后者更加顯著相關，表明未知AOB種群很可能就是反應器內影響氨氮去除效率的關鍵種群。且該種群細胞數量變化與溫度變化不相關，在12月至1月的低水溫環(huán)境中該種群具有較高的競爭優(yōu)勢，這一研究結果對給水生物預處理反應器在低溫環(huán)境的運行優(yōu)化有重要的意義。本文還證明了實時熒光定量PCR是一種快速有效的分子監(jiān)測手段，在反應器的運