城市污水处理厂中氨氧化菌及细菌群落结构与功能研究

【摘要】：城市污水是我国水体的重要污染源,生物处理是解决城市污水问题最经济有效且应用最普遍的方法。在生物处理系统中,微生物是污染物去除的主体,深入理解其群落结构与功能,对认识处理系统的本质,从而控制和提高污水处理系统的稳定性具有重要意义。本论文采多种分子生物学方法和统计学方法,研究了多个污水处理系统中,氨氧化菌(AOB)及细菌的群落结构及其动态变化规律,分析了影响AOB及细菌群落结构的因素,初步探索了微生物群落结构与系统功能的关系。 本文首先优选出了适合活性污泥总DNA的高效提取方法,即FastDNA?试剂盒法。优化了PCR反应条件,建立了一套适合分析活性污泥样品中微生物群落结构的分子生物学方法。 采用末端限制性片段长度多态性技术(T-RFLP)及克隆文库方法,分析了9个污水处理系统中AOB及细菌的群落结构。结果表明,同一污水处理系统不同位置的AOB和细菌群落结构无明显差异;处理水质对AOB及细菌群落结构有明显影响;处理规模对AOB和细菌群落结构有一定影响;处理工艺对AOB和细菌群落结构无明显影响。通过对克隆文库的测序和T-RFLP分析,确认了4种不同长度的末端限制性片段(T-RF)对应的AOB种类和57种T-RF对应的细菌种类。 采用T-RFLP、定量PCR和移动窗口等方法,分析了多个污水处理系统中AOB及细菌群落的长期动态变化规律。结果表明,在两个氨氧化功能稳定的城市污水处理系统中,AOB群落结构发生了低度水平的变化。在5个有机物及TN去除功能稳定的城市污水处理系统中,细菌群落结构发生了中度水平的变化,说明稳定的有机物与TN去除功能并没有耦连着稳定的细菌群落结构。除趋势典范对应分析(DCCA)分析结果表明,出水氨氮、水温、溶解氧(DO)等参数是影响AOB群落结构的主要因素。发现中试系统中,总AOB数量和氨氮去除率之间呈显著正相关关系,为进一步建立AOB群落与功能之间的动力学模型奠定了基础。 【关键词】：氨氧化菌 细菌 T-RFLP 群落动态变化 城市污水处理厂
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第1章 绪论13-36
• 1.1 微生物群落结构解析方法及其应用14-19
• 1.1.1 传统培养方法及其局限性15
• 1.1.2 生理学指纹方法15
• 1.1.3 生物标记物方法15
• 1.1.4 现代分子生物学方法15-19
• 1.2 微生物群落结构数据的分析方法19-23
• 1.2.1 多样性指数19-20
• 1.2.2 群落结构相似度分析方法20-21
• 1.2.3 排序21-23
• 1.3 城市污水处理厂中微生物群落结构的研究进展23-27
• 1.4 AOB、AOA 及其群落结构的研究进展27-33
• 1.4.1 生物脱氮过程27-29
• 1.4.2 AOB 的生长特性及分类29
• 1.4.3 AOB 群落结构的研究进展29-33
• 1.4.4 AOA 的研究进展33
• 1.5 研究目的与内容33-36
• 1.5.1 研究问题的识别33-34
• 1.5.2 研究目的与意义34
• 1.5.3 研究内容34
• 1.5.4 技术路线34-36
• 第2章 微生物群落结构解析方法的建立及优化36-65
• 2.1 试验仪器及试剂36
• 2.2 活性污泥总DNA 提取方法的优选36-43
• 2.2.1 供试活性污泥样品37-38
• 2.2.2 物理化学破壁法38-39
• 2.2.3 机械破壁法39-41
• 2.2.5 PCR 法验证DNA 提取效果41-42
• 2.2.6 三种DNA 提取方法的综合分析42-43
• 2.3 PCR 扩增程序的优化43-46
• 2.4 T-RFLP 方法的分析步骤46-48
• 2.4.1 PCR 产物的酶切46-48
• 2.4.2 毛细管电泳48
• 2.5 克隆文库的分析步骤48-52
• 2.5.1 基因的扩增与纯化49
• 2.5.2 扩增产物与T 载体连接49
• 2.5.3 连接产物转化大肠杆菌49-50
• 2.5.4 克隆文库的筛选与DNA 测序50-52
• 2.6 定量PCR 方法的建立及优化52-61
• 2.6.1 供试DNA 样品52
• 2.6.2 建立标准品的方法52-55
• 2.6.3 定量PCR 方法的优化措施55
• 2.6.4 定量PCR 优化结果与讨论55-61
• 2.7 数据分析方法61-64
• 2.7.1 T-RFLP 图谱的预处理61
• 2.7.2 物种丰度计算61
• 2.7.3 多样性指数计算61-62
• 2.7.4 聚类分析62
• 2.7.5 除趋势典范对应分析62-63
• 2.7.6 移动窗口分析法63
• 2.7.7 群落结构均度分析63
• 2.7.8 相关分析63-64
• 2.7.9 回归分析64
• 2.8 本章小结64-65
• 第3章 不同污水处理厂AOB 群落结构的比较研究65-82
• 3.1 试验材料与方法65-69
• 3.1.1 污水处理厂及采样65-66
• 3.1.2 试验方法66-69
• 3.2 不同污水厂AOB 群落的一般特征69-73
• 3.3 影响AOB 群落结构的因素分析73-76
• 3.3.1 AOB 群落结构的空间分布73-75
• 3.3.2 处理工艺对AOB 群落结构的影响75
• 3.3.3 处理规模对AOB 群落结构的影响75-76
• 3.3.4 不同水质对AOB 群落结构的影响76
• 3.4 城市污水处理厂AOB 物种分析76-81
• 3.4.1 不同T-RF 对应的AOB 种类76-78
• 3.4.2 AOB 系统发育特征分析78-81
• 3.5 本章小结81-82
• 第4章 不同污水处理厂细菌群落结构的比较研究82-101
• 4.1 试验材料与方法82-83
• 4.1.1 污水处理厂及采样82
• 4.1.2 试验方法82-83
• 4.2 城市污水处理厂细菌群落的一般特征83-89
• 4.3 影响细菌群落结构的因素分析89-91
• 4.3.1 细菌群落结构的空间分布89
• 4.3.2 处理规模对细菌群落结构的影响89-90
• 4.3.3 处理工艺对细菌群落结构的影响90-91
• 4.3.4 处理水质对细菌群落结构的影响91
• 4.4 城市污水处理厂细菌物种分析91-100
• 4.4.1 不同T-RF 对应的细菌种类91-94
• 4.4.2 细菌系统发育特征分析94-100
• 4.5 本章小结100-101
• 第5章 AOB 群落结构动态变化规律与功能的关系101-119
• 5.1 试验材料与方法101-102
• 5.1.1 污水处理系统及采样101
• 5.1.2 试验方法101-102
• 5.2 污水处理厂的运行效果102-105
• 5.2.1 系统A1 去除BOD 和氨氮的效果102
• 5.2.2 系统A2 去除BOD 和氨氮的效果102-103
• 5.2.3 系统A3 去除BOD 和氨氮的效果103-105
• 5.3 AOB 群落结构变化与功能的关系105-109
• 5.3.1 系统A1 中AOB 群落变化规律105-106
• 5.3.2 系统A2 中AOB 群落变化规律106-108
• 5.3.3 系统A3 中AOB 群落变化规律108-109
• 5.4 AOB 群落结构与环境因子的关系分析109-117
• 5.4.1 系统A1 中AOB 群落与环境因子关系分析109-112
• 5.4.2 系统A2 中AOB 群落与环境因子关系分析112-114
• 5.4.3 系统A3 中AOB 群落与环境因子关系分析114-117
• 5.5 小结117-119
• 第6章 AOB 动态变化的定量 PCR 分析119-124
• 6.1 试验材料与方法119
• 6.1.1 污水处理系统及采样119
• 6.1.2 AOB 的定量分析方法119
• 6.2 污水处理系统运行效果119-121
• 6.3 AOB 数量变化121
• 6.4 AOB 数量和氨氮去除率之间的关系121-123
• 6.4.1 AOB 数量与氨氮去除率的相关分析121-122
• 6.4.2 AOB 数量与氨氮去除率的回归分析122-123
• 6.5 讨论123
• 6.6 本章小结123-124
• 第7章 细菌群落结构的动态变化规律与功能的关系124-141
• 7.1 试验材料与方法124-125
• 7.1.1 污水处理系统及采样124-125
• 7.1.2 试验方法125
• 7.2 污水处理厂的运行效果125-128
• 7.2.1 系统A1 去除BOD 和TN 的效果125-126
• 7.2.2 系统A2 去除BOD 和TN 的效果126
• 7.2.3 系统A3 去除BOD 和TN 的效果126-127
• 7.2.4 系统81 去除 BOD 和TN 的效果127
• 7.2.5 系统82 去除 BOD 和TN 的效果127-128
• 7.3 细菌群落的动态变化规律128-136
• 7.3.1 系统A1 中细菌群落的变化规律128-130
• 7.3.2 系统A2 中细菌群落的变化规律130-132
• 7.3.3 系统A3 中细菌群落的变化规律132-133
• 7.3.4 系统B1 中细菌群落的变化规律133-135
• 7.3.5 系统B2 中细菌群落的变化规律135-136
• 7.4 群落内物种均度分析136-139
• 7.5 讨论139-140
• 7.6 本章小结140-141
• 第8章 结论与建议141-143
• 8.1 结论141-142
• 8.2 建议142-143
• 参考文献143-152
• 致谢152-153
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果153-154

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