寒区污水生化处理系统微生物群落结构与功能解析

【摘要】：温度是影响污水生化处理系统处理效能的主要因素之一，通常污水生化处理系统只是在污泥负荷、污泥回流、水力停留时间等方面调节冬季污水处理的效果，此调控方法不仅增加低温运行的运行费用，同时出水水质不稳定。为此，本文旨在揭示温度对不同城市污水厂生化处理系统中微生物群落结构的影响，利用宏基因组测序技术解析不同温度条件下A/O工艺城市污水处理系统中微生物群落结构、功能和代谢过程，并从微生物生态学的角度提出菌剂构建策略，为城市污水生物工程化应用的进一步发展提供技术依据和理论基础。 以东北地区三种工艺(A/O工艺、SBR工艺和氧化沟工艺)的城市污水生化处理系统为研究对象，全年监测城市污水生化处理系统进出水水质情况，监测结果显示冬春两季污水生化处理系统的出水COD和NH4+-N浓度均能达到一级B标准。尤其冬季期A/O污水生化处理系统的水温下降到15oC以下时，NH4+-N的去除率可达到80%；此外，PCR-DGGE聚类分析结果显示A/O污水生化处理系统中的优势微生物数量最多，多样性最高，菌群结构最稳定。应用PCR-DGGE测得三种污水生化处理系统中优势微生物类群主要是变形菌门(Proteobacteria)。综合培养和非培养技术检测微生物群落对糖、脂、蛋白(氨基酸)的利用情况，在污水生物处理效能及微生物菌群结构稳定性方面综合评价结果显示，A/O工艺在东北地区城市污水处理中具有一定优势。 应用三维荧光光谱法分析三种提取宏基因组DNA的优化方法，结果显示液氮研磨+基因组提取试剂盒法可高效获得用于宏基因组测序的总DNA。宏基因组测序A/O工艺中S1(秋季)、S2(冬季)和S3(夏季)三个季度活性污泥样品，分别得到1.9亿、2.8亿和2亿的可用碱基(bp)，其有效利用率分别达到96.8%、98.1%和93.7%。此外，Blast-nr数据库比较分析结果确定了A/O污水生化处理系统中的主要微生物群落组成：S1(秋季)的β-变形菌纲(β-Proteobacteria)，丰度约为44.9%；S2(冬季)的α-变形菌纲(α-Proteobacteria)，丰度约为54.37%；S3(夏季)的β-变形菌纲(β-Proteobacteria)，丰度约为43.88%；且三个季度α多样性指数(α-diversity)分别为463.98、443.08和473.13。其中，S3(夏季)微生物群落多样性指数最高，物种分布更均匀。 MG-RAST数据库的微生物代谢途径(KEGG)分析结果显示，多糖类物质是原核生物生长繁殖过程中重要的能源物质。部分微生物群落的多糖代谢途径显示在冬季低温条件下细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)是微生物多糖合成过程中的限制酶，其丰度顺序为S1(秋季)S3(夏季)S2(冬季)，因此，冬季低温产生的胞外多聚物更多。此外，促进微生物分泌絮凝产物的酶基因EC2.7.7.9(UDP glucose pyrophosphorylase)不会随温度的下降出现缺失。在类固醇类雌激素、蒽、萘等特殊有机污染物的微生物代谢途径中，微生物群落贡献的酶种类和数量极少，可能与污水生化处理系统的水力停留时间和污泥停留时间过短相关，因此造成微生物短时期内无法完成生长。 分析A/O生化处理系统好氧段微生物群落对N、P、S等元素代谢的过程，结果显示参与硝化作用的酶种类比较完整。其中，关键酶EC1.7.3.4(hydroxylamine oxidase)促使亚硝酸盐氧化成硝酸盐，而酶EC1.7.99.4(nitrate reductas)、酶EC1.7.2.1(nitrite reductase)和酶EC1.7.99.7(Oxidoreductases)的出现提高了反硝化反应发生的可能性。此外，微生物的磷代谢途径十分完整，三个季度检测得到的聚磷关键酶EC2.3.1.-(PHB synthetase)丰度顺序为S3(夏季)S1(秋季)S2(冬季)，因此确定了聚磷菌(PAOs)在低温污水生化处理系统中较为活跃的生理特征；分析微生物的硫代谢途径所出现的酶类，结果显示参与硫酸盐氧化合成过程的酶种类完整，而参与硫酸盐还原途径的酶种类出现缺失，说明在A/O污水生化处理系统好氧段微生物将硫酸盐还原成单质硫的现象是不可发生的。 SEED数据库比对结果显示，S2冬季期的微生物群落含有的冷激蛋白(cold shock protein, CSPs)种类最多，S2冬季期的CSPs数量是S1秋季期的3倍，是S3夏季的1.2倍。冬季污水生化处理系统中微生物含有较多的CSPs能够辅助微生物抵抗温度变化引起的物理损伤，保证了微生物能够在较低温度条件下仍具有较好的活性。 从微生物生态学的角度出发，分析A/O污水生化处理系统中微生物群落结构和代谢之间的关系，提出菌剂构建的策略。对于酶种类和丰度已明确的代谢途径，可采取全代谢途径的菌剂构建策略；对于酶种类参与较少的特殊有机污物，可采取先物化后生化的工艺整改方案和生物强化结合生物活性炭的策略；对于受温度影响较大的多糖类合成代谢途径，可采取投加微生物絮凝剂产生菌的方式维持冬季污水生化处理系统较好的污泥沉降性。 【关键词】：温度 生化系统 宏基因组测序 微生物群落结构 代谢途径 菌剂
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;X172
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 绪论16-35
• 1.1 课题背景16-17
• 1.1.1 课题来源16
• 1.1.2 课题研究背景16-17
• 1.2 水资源水环境现状17-23
• 1.2.1 国内水资源现状17-18
• 1.2.2 城市污水处理现状18-19
• 1.2.3 城市污水处理技术的发展及应用19-22
• 1.2.4 城市污水生物处理过程中的微生物群落研究现状22-23
• 1.3 温度与污水生物处理的关系23-25
• 1.3.1 温度对微生物生长的影响23-24
• 1.3.2 温度对微生物酶促反应速度的影响24
• 1.3.3 温度对微生物处理反应速率的影响24-25
• 1.3.4 温度对微生物脱氮的影响25
• 1.3.5 温度对污泥沉降性能的影响25
• 1.4 宏基因组学技术在微生物生态学领域的研究现状25-28
• 1.4.1 宏基因组测序对微生物群落的研究应用26-28
• 1.4.2 生物信息学在宏基因组测序领域的应用28
• 1.5 微生物菌剂的发展和应用28-32
• 1.5.1 微生物菌剂的来源28-29
• 1.5.2 微生物菌剂的应用29-31
• 1.5.3 微生物菌剂的构建原则31-32
• 1.6 本课题的研究意义及主要研究内容32-35
• 1.6.1 课题研究意义32-33
• 1.6.2 课题研究内容和技术路线33-35
• 第2章 试验材料和方法35-48
• 2.1 实验装置35-39
• 2.1.1 A/O工艺35-36
• 2.1.2 SBR工艺36-37
• 2.1.3 氧化沟工艺37
• 2.1.4 SBR小试装置37-39
• 2.2 试验材料39-44
• 2.2.1 污泥样品采集39-40
• 2.2.2 污泥宏基因组DNA的提取40-41
• 2.2.3 污泥宏基因组DNA的光谱检测41-43
• 2.2.4 宏基因组测序样品制备43
• 2.2.5 AOB和NOB菌剂投加43-44
• 2.3 分析项目及检测分析方法44-48
• 2.3.1 常规城市污水水质检测方法44-45
• 2.3.2 实验仪器45-46
• 2.3.3 污泥检测方法46
• 2.3.4 宏基因组测序分析数据库46-48
• 第3章 寒区污水生化系统处理效能及微生物群落结构48-65
• 3.1 引言48
• 3.2 三个水厂生化系统冬春季进出水水质分析48-53
• 3.2.1 三个水厂生化系统的进出水COD情况48-50
• 3.2.2 三个水厂生化系统的进出水NH_4~+-N情况50-53
• 3.3 非培养技术解析污水生化处理系统微生物群落结构53-56
• 3.4 生化系统可培养微生物的群落结构解析56-64
• 3.4.1 A/O工艺57-59
• 3.4.2 氧化沟工艺59-61
• 3.4.3 SBR工艺61-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第4章 宏基因组测序技术解析生化系统微生物群落结构65-103
• 4.1 引言65
• 4.2 宏基因组DNA提取方法优化与检测65-69
• 4.2.1 宏基因组DNA提取方法优化65-67
• 4.2.2 宏基因组DNA提取方法的三维荧光光谱分析67-69
• 4.3 宏基因组测序条件优化及样品制备69-70
• 4.4 宏基因组测序的生物统计学分析70-78
• 4.4.1 宏基因组DNA的Illumina测序流程70-72
• 4.4.2 宏基因组测序数据质量分析72-78
• 4.5 三个季度生化系统中微生物群落结构的宏基因组分析78-95
• 4.5.1 秋季生化系统中微生物群落结构分析78-83
• 4.5.2 冬季生化系统中微生物群落结构分析83-89
• 4.5.3 夏季生化系统中微生物群落结构分析89-95
• 4.6 季节变化与微生物群落结构的关系解析95-102
• 4.6.1 季节变化与微生物群落界分类关系分析95-96
• 4.6.2 季节变化与微生物群落菌门结构关系分析96-98
• 4.6.3 季节变化与主要变形菌纲结构关系分析98-99
• 4.6.4 季节变化与主要菌属结构关系分析99-101
• 4.6.5 α多样性指数和PCA主成分分析101-102
• 4.7 本章小结102-103
• 第5章 宏基因组测序技术解析生化系统微生物群落功能103-131
• 5.1 引言103
• 5.2 开放阅读框的功能注释和代谢途径差异性分析103-107
• 5.2.1 开放阅读框的功能注释103-105
• 5.2.2 微生物群落的代谢途径差异性分析105-107
• 5.3 季节变化与微生物群落碳代谢关系解析107-121
• 5.3.1 微生物群落中糖代谢途径分析107-116
• 5.3.2 微生物群落中脂肪酸代谢途径分析116-120
• 5.3.3 微生物群落中芳香族化合物代谢途径分析120-121
• 5.4 季节变化与微生物群落氮代谢关系解析121-125
• 5.4.1 微生物群落中氨基酸代谢途径分析122
• 5.4.2 微生物群落代谢氨氧化物的途径分析122-125
• 5.5 季节变化与微生物群落磷代谢关系解析125-126
• 5.6 季节变化与微生物群落硫代谢关系解析126-127
• 5.7 季节变化与环境应激性相关功能基因关系解析127-129
• 5.8 本章小结129-131
• 第6章 适用于污水生化系统的菌剂构建策略131-140
• 6.1 引言131
• 6.2 微生物全代谢途径的菌剂构建策略131-135
• 6.2.1 硝化菌剂构建策略131-132
• 6.2.2 SBR系统低温运行效果分析132-135
• 6.3 痕量污染物或特殊有机污染物的菌剂构建策略135-138
• 6.4 多糖合成代谢途径的菌剂调控策略138-139
• 6.5 本章小结139-140
• 结论140-142
• 参考文献142-160
• 附录160-170
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果170-172
• 致谢172-173
• 个人简历173

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