污水处理厂微生物群落结构及胞外聚合物组分分析

【摘要】：A2/O工艺是一种常用的污水生物处理工艺。在污水生物处理系统中,污染物的去除过程本质上是微生物自身的的代谢过程。微生物的种类、数量及群落结构的演替直接影响系统对污染物的去除。因此,对污水生物处理系统中微生物群落结构的研究显得尤为必要。本研究采用Mi Seq高通量技术对城市污水厂厌氧、缺氧和好氧污泥样品进行了DNA测序,结果表明:系统中微生物种类繁多,多样性较高。好氧池和厌氧池中,优势菌门是Proteobacteria(最优势菌门)、Firmicutes、Bacteroidetes和Chloroflexi;缺氧池中优势菌门为Bacteroidetes(最优势菌门),Planctomycetes、Proteobacteria、Acidobacteria和Firmicutes。三种污泥样品中最优势菌属均为Terrimonas。整个系统中硝化细菌群落结构较为单一,AOB只有Nitrosomonas,NOB只有Nitrospira。而反硝化细菌多样性高,好氧池中存在大量好氧反硝化细菌,整个系统的自养反硝化细菌数量极少。EPS是活性污泥絮体的重要组成部分,它可以吸附污水中的金属离子[1]和有机污染物[2],对微生物聚集体的形成和结构的维持具有重要作用[3],还可以保护微生物减小外部不利环境的冲击。本研究采用超声法提取城市污水处理厂和高盐废水处理系统活性污泥中的EPS,并测定其中蛋白质和多糖的含量,发现蛋白质为EPS的主要成分。红外光谱和三维荧光光谱证明了EPS中蛋白质和多糖的存在,还发现高盐厌氧池的EPS中可能存在腐殖酸。聚集沉降实验结果表明,EPS有利于污泥聚集,且好氧污泥的EPS比厌氧污泥的EPS对污泥聚集的作用大,高盐厌氧池的EPS对污泥的聚集影响很小。胞外蛋白作为EPS的主要成分,其性质很大程度上决定了EPS的性质,进而影响污泥聚体的特性和功能。用基于LC-MS/MS技术的鸟枪法对污水处理厂活性污泥中的胞外蛋白进行鉴定。根据基因本体论注释(GOA)分别对厌氧、缺氧和好氧污泥中鉴定出的130、108和114种胞外蛋白进行分类,结果表明,三种污泥的胞外蛋白参与的生物过程、主要来源和分子功能都基本相同。胞外蛋白主要来源于细胞溶解,参与最多的都是代谢过程、细胞加工过程和单一生物体过程,主要的分子功能是催化活性和结合活性。说明胞外蛋白具有催化、降解和结合多价阳离子与有机分子的潜在功能。厌氧污泥和好氧污泥结构的差异可能与它们中所含的催化活性蛋白有关。本研究从微观角度揭示了微生物群落结构、EPS组成和特性以及胞外蛋白种类和功能等信息,有助于对活性污泥特性的深入了解,为生物废水处理工艺的宏观调控提供了理论依据。 【关键词】：A2/O工艺 微生物群落结构 胞外聚合物 胞外蛋白
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 A~2/O工艺简介9-10
• 1.2 微生物群落结构研究现状10-11
• 1.2.1 污水生物处理系统中微生物群落结构10
• 1.2.2 分子生物学技术及应用10-11
• 1.3 胞外聚合物的研究进展11-16
• 1.3.1 胞外聚合物定义11-12
• 1.3.2 胞外聚合物成分12
• 1.3.3 胞外聚合物提取方法12-13
• 1.3.4 胞外聚合物主要性质13-14
• 1.3.5 盐度对胞外聚合物成分和性质的影响14
• 1.3.6 胞外聚合物表征14-16
• 1.4 胞外蛋白的研究进展16-18
• 1.4.1 蛋白质组学16-17
• 1.4.2 胞外蛋白研究现状17-18
• 1.5 研究目的和意义18
• 1.6 研究内容18-20
• 2 微生物群落分析20-32
• 2.1 材料与方法20-21
• 2.1.1 活性污泥20
• 2.1.2 DNA提取和检测20
• 2.1.3 Mi Seq测序20
• 2.1.4 OTU20-21
• 2.2 结果与讨论21-30
• 2.2.1 微生物多样性分析21-23
• 2.2.2 微生物群落结构分析23-26
• 2.2.3 优势菌属及功能菌属分析26-30
• 2.3 小结30-32
• 3 胞外聚合物成分分析32-42
• 3.1 材料与方法32-33
• 3.1.1 实验材料32
• 3.1.2 提取方法32
• 3.1.3 化学分析32-33
• 3.1.4 红外光谱33
• 3.1.5 三维荧光光谱33
• 3.1.6 聚集试验33
• 3.2 结果与讨论33-41
• 3.2.1 EPS成分分析33-34
• 3.2.2 EPS的红外光谱34-37
• 3.2.3 EPS的三维荧光光谱37-39
• 3.2.4 EPS对细胞的聚集作用39-41
• 3.3 小结41-42
• 4 胞外蛋白的组成和功能42-56
• 4.1 材料与方法42-43
• 4.1.1 实验材料42
• 4.1.2 EPS提取和胞外蛋白纯化42
• 4.1.3 胞外蛋白酶解42
• 4.1.4 鸟枪法42-43
• 4.1.5 数据分析43
• 4.1.6 傅里叶变换红外光谱43
• 4.2 结果与分析43-54
• 4.2.1 胞外蛋白的红外光谱43-44
• 4.2.2 等电点和分子量分布44-46
• 4.2.3 胞外蛋白的来源与功能46-54
• 4.3 讨论54
• 4.4 小结54-56
• 5 结论与建议56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 建议57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-70
• 附录70-72
• A. 作者攻读硕士学位期间发表的论文目录70-71
• B. 附表71-72

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