寒區(qū)污水生化處理系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)與功能解析.pdf

1、溫度是影響污水生化處理系統(tǒng)處理效能的主要因素之一，通常污水生化處理系統(tǒng)只是在污泥負(fù)荷、污泥回流、水力停留時(shí)間等方面調(diào)節(jié)冬季污水處理的效果，此調(diào)控方法不僅增加低溫運(yùn)行的運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)出水水質(zhì)不穩(wěn)定。為此，本文旨在揭示溫度對(duì)不同城市污水廠生化處理系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，利用宏基因組測(cè)序技術(shù)解析不同溫度條件下A/O工藝城市污水處理系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)、功能和代謝過(guò)程，并從微生物生態(tài)學(xué)的角度提出菌劑構(gòu)建策略，為城市污水生物工程化應(yīng)用的進(jìn)一步

2、發(fā)展提供技術(shù)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
　　以東北地區(qū)三種工藝(A/O工藝、SBR工藝和氧化溝工藝)的城市污水生化處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，全年監(jiān)測(cè)城市污水生化處理系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示冬春兩季污水生化處理系統(tǒng)的出水COD和NH4+-N濃度均能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。尤其冬季期A/O污水生化處理系統(tǒng)的水溫下降到15oC以下時(shí)，NH4+-N的去除率可達(dá)到80％；此外，PCR-DGGE聚類分析結(jié)果顯示A/O污水生化處理系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)微生物數(shù)量最多，多

3、樣性最高，菌群結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。應(yīng)用 PCR-DGGE測(cè)得三種污水生化處理系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)微生物類群主要是變形菌門(Proteobacteria)。綜合培養(yǎng)和非培養(yǎng)技術(shù)檢測(cè)微生物群落對(duì)糖、脂、蛋白(氨基酸)的利用情況，在污水生物處理效能及微生物菌群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，A/O工藝在東北地區(qū)城市污水處理中具有一定優(yōu)勢(shì)。
　　應(yīng)用三維熒光光譜法分析三種提取宏基因組DNA的優(yōu)化方法，結(jié)果顯示液氮研磨+基因組提取試劑盒法可高效獲得用于宏基因

4、組測(cè)序的總 DNA。宏基因組測(cè)序A/O工藝中S1(秋季)、S2(冬季)和S3(夏季)三個(gè)季度活性污泥樣品，分別得到1.9億、2.8億和2億的可用堿基(bp)，其有效利用率分別達(dá)到96.8%、98.1%和93.7%。此外，Blast-nr數(shù)據(jù)庫(kù)比較分析結(jié)果確定了A/O污水生化處理系統(tǒng)中的主要微生物群落組成：S1(秋季)的β-變形菌綱(β-Proteobacteria)，豐度約為44.9%；S2(冬季)的α-變形菌綱(α-Proteobac

5、teria)，豐度約為54.37%；S3(夏季)的β-變形菌綱(β-Proteobacteria)，豐度約為43.88%；且三個(gè)季度α多樣性指數(shù)(α-diversity)分別為463.98、443.08和473.13。其中，S3(夏季)微生物群落多樣性指數(shù)最高，物種分布更均勻。
　　MG-RAST數(shù)據(jù)庫(kù)的微生物代謝途徑(KEGG)分析結(jié)果顯示，多糖類物質(zhì)是原核生物生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中重要的能源物質(zhì)。部分微生物群落的多糖代謝途徑顯示在冬季

6、低溫條件下細(xì)菌利用多糖可合成更多的胞外聚合物，其中多糖合成酶EC1.1.1.22(UDP-glucose6-dehydrogenase, UGD)是微生物多糖合成過(guò)程中的限制酶，其豐度順序?yàn)镾1(秋季)

7、有機(jī)污染物的微生物代謝途徑中，微生物群落貢獻(xiàn)的酶種類和數(shù)量極少，可能與污水生化處理系統(tǒng)的水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間過(guò)短相關(guān)，因此造成微生物短時(shí)期內(nèi)無(wú)法完成生長(zhǎng)。
　　分析A/O生化處理系統(tǒng)好氧段微生物群落對(duì)N、P、S等元素代謝的過(guò)程，結(jié)果顯示參與硝化作用的酶種類比較完整。其中，關(guān)鍵酶 EC1.7.3.4(hydroxylamine oxidase)促使亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，而酶EC1.7.99.4(nitrate reductas

8、)、酶EC1.7.2.1(nitrite reductase)和酶EC1.7.99.7(Oxidoreductases)的出現(xiàn)提高了反硝化反應(yīng)發(fā)生的可能性。此外，微生物的磷代謝途徑十分完整，三個(gè)季度檢測(cè)得到的聚磷關(guān)鍵酶EC2.3.1.-(PHB synthetase)豐度順序?yàn)镾3(夏季)

9、硫酸鹽氧化合成過(guò)程的酶種類完整，而參與硫酸鹽還原途徑的酶種類出現(xiàn)缺失，說(shuō)明在A/O污水生化處理系統(tǒng)好氧段微生物將硫酸鹽還原成單質(zhì)硫的現(xiàn)象是不可發(fā)生的。
　　SEED數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)結(jié)果顯示，S2冬季期的微生物群落含有的冷激蛋白(cold shock protein, CSPs)種類最多，S2冬季期的CSPs數(shù)量是S1秋季期的3倍，是S3夏季的1.2倍。冬季污水生化處理系統(tǒng)中微生物含有較多的CSPs能夠輔助微生物抵抗溫度變化引起的物理?yè)p傷

10、，保證了微生物能夠在較低溫度條件下仍具有較好的活性。
　　從微生物生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，分析A/O污水生化處理系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝之間的關(guān)系，提出菌劑構(gòu)建的策略。對(duì)于酶種類和豐度已明確的代謝途徑，可采取全代謝途徑的菌劑構(gòu)建策略；對(duì)于酶種類參與較少的特殊有機(jī)污物，可采取先物化后生化的工藝整改方案和生物強(qiáng)化結(jié)合生物活性炭的策略；對(duì)于受溫度影響較大的多糖類合成代謝途徑，可采取投加微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的方式維持冬季污水生化處理系統(tǒng)較好的污