宏蛋白质组学在活性污泥研究中的应用

宏蛋白质组学作为研究微生物群落的一种新兴技术,主要是对特定微生物群落所表达的全部蛋白进行宏观、高通量的分析研究.本文综述了宏蛋白质组学研究的技术路线,主要包括蛋白的提取和纯化、分离和鉴定,以及宏蛋白质组学在强化生物除磷的活性污泥、活性污泥胞外多聚物和比较不同处理工艺活性污泥的差异等方面的研究.活性污泥的宏蛋白质组学研究完善了强化生物除磷活性污泥的厌氧和好氧阶段的代谢模型,揭示了活性污泥胞外多聚物在污染物降解过程中的主要作用和表现,阐述了不同活性污泥在污水处理过程中宏观特性与微观功能之间的关系,对于污水的生物处理有着重要的指导意义.宏蛋白质组学在活性污泥研究领域仍处于起步阶段,没有统一、有效的蛋白提取方法,数据库匮乏,成为活性污泥宏蛋白质组学发展的主要阻碍.随着各种新兴仪器、方法的应用以及数据库的不断完善,活性污泥宏蛋白质组学将会在污染物生物降解机制分析、鉴定功能蛋白等方面展现其巨大的优势.     

动胶菌属系统分类、生理特征及其在活性污泥中的作用

微生物菌群一直是活性污泥研究过程中的关键问题,近年来通过分子生物学等研究手段已经发现动胶菌是活性污泥微生物菌群中的优势细菌.本文以活性污泥微生物菌群为出发点,重点梳理了动胶菌属分类学研究历史和现状,并建议在前期命名过程中出现的垂(悬)丝状动胶菌和生枝动胶菌ATCC 19623株及ATCC 25935株不应再作为动胶菌属细菌对待.同时介绍了动胶菌属细菌的基本特性及其在活性污泥法处理废水中降解有机物、除磷脱氮和吸附重金属离子等方面的应用,以及动胶菌胞外多聚物的组成和动胶菌优良菌株的选育.我们及合作者最近分析了两个喜树脂动胶菌的基因组并鉴定出参与菌胶团形成的一个大型基因簇,也实现了基因定点敲除等遗传操作.今后研究应重点关注动胶菌分子遗传学、功能基因组学及胞外多聚物生物合成和菌胶团形成机理、化学结构和性质.     

UASB和EGSB反应器中厌氧颗粒污泥生物学特性的比较

测定了实验室规模的２Ｌ ＥＧＳＢ和ＵＡＳＢ反应器中培养的厌氧颗粒污泥在不同基质中的比产甲烷活性、辅酶Ｆ４２０含量和胞外多聚酶物含量，结果表明，ＥＧＳＢ反应器颗粒污泥在葡萄糖上的比产甲烷活性、利用乙酸的甲烷菌和产氢产乙酸菌的活怀和胞外多聚物／含量高于ＵＡＳＢ反应器颗粒污泥，而ＵＡＳＢ反应器颗粒污泥中利用甲酸和氢的甲烷菌的活性以及辅酶Ｆ４２０的含量较ＥＧＳＢ反应器颗粒污泥更高，辅酶Ｆ４２０可以指示同种     

球孢白僵菌胞外蛋白酶及类枯草杆菌蛋白酶的诱导

研究了接种物和诱导物对球孢白僵菌总胞外蛋白酶及类枯草杆菌蛋白酶（Ｐｒ１）产生的影响。结果表明，球孢白僵菌不同接种物产生的总胞外蛋白酶及Ｐｒ１活性有明显差异；不同诱导物对产酶水平也有较大影响。其中芽管状物在蝉蜕诱导液中的总胞外蛋白酶和Ｐｒ１活性均最高，诱导１２ｈ酶活性达高峰，不同来源的菌丝产酶水平有差异，在诱导液中，接种物总胞外蛋白酶和Ｐｒ１的变化趋势一致，但总胞外蛋白酶活性和Ｐｒ１活力间没有直接的     

胞外多聚物在氧化亚铁硫杆菌吸附Mn~(2+)、Ni~(2+)、Pb~(2+)中的作用

利用从粤北大宝山酸性矿山废水(AMD)分离的氧化亚铁硫杆菌(A.f菌),采用原子吸收分光光度技术和荧光分光光度技术,研究其胞外多聚物(EPS)对水中Mn~(2+)、Ni~(2+)、Pb~(2+)的吸附率及二者间的相互作用方式.结果表明,A.f菌对Mn~(2+)、Ni~(2+)、Pb~(2+)具有较强的耐受性;A.f菌的EPS对3种金属离子吸附率随时间的延长而升高,当EPS吸附Mn~(2+)、Ni~(2+)、Pb~(2+)后,类蛋白复合物荧光强度增强且最大发射峰位蓝移;A.f菌对Mn~(2+)、Ni~(2+)、Pb~(2+)的耐受性与其胞外有机多聚物特别是类蛋白物质的生物吸附密切相关.A.f菌的EPS的生物吸附在水中重金属的去除中可发挥重要作用.     

废水处理系统中生物聚集体胞外多聚物研究进展

胞外多聚物(Extracellular polymeric substances,EPS)是废水生物处理系统中生物聚集体(包括絮体污泥、生物膜、颗粒污泥等)的重要组成部分,直接包裹于微生物细胞壁外,其理化性质及所处的特殊位置决定了它在生物聚集体中的重要作用.综述了EPS对废水生物处理系统污泥沉降性能、脱水性以及膜生物反应器膜污染影响的相关研究,分析认为EPS组成与结构特性改变污泥表面电位、疏水性等,进而影响污泥沉降与脱水性能、膜污染程度;以好氧颗粒污泥为典型的生物聚集体代表,总结了EPS组分含量与分布对颗粒污泥的形成与结构稳定性的影响,并在EPS提取方法标准化、现代理化技术与分子生物学技术综合分析等方面进行了展望,进一步的研究有望揭示生物絮凝体形成过程EPS的产生与调控机制.     

三维荧光光谱结合化学分析评价胞外多聚物的提取方法

采用高速离心法、EDTA法、阳离子交换树脂法(CER)、甲醛法和甲醛 NaOH法提取普通活性污泥和好氧颗粒污泥的胞外多聚物(EPS),结合三维荧光光谱对五种方法进行评价,并对EPS中的成分进行分析.结果表明,5个EPS的三维荧光光谱峰值中,2个是类蛋白峰,2个是类富里酸峰,1个是类腐殖酸峰.匀浆对好氧颗粒污泥EPS的提取必不可少.甲醛严重干扰核酸的化学测定.透析前后的EPS提取液均应作为分析对象.单纯高速离心法无法有效提取EPS.CER法不容易造成细胞破壁,是一种比较有效的方法.虽然甲醛 NaOH法对EPS的提取量最大,但对细胞的破壁程度也最大.EDTA会导致溶胞,并严重污染EPS.甲醛 NaOH法和EDTA法都会严重干扰胞外蛋白的三维荧光光谱分析.     

城市污水生物处理过程中结合型和游离型胞外抗生素抗性基因的产生特征

胞外抗生素抗性基因是抗性基因的重要存在形式,可能通过转化重新进入细胞表达抗药性.因此其具有严峻却隐蔽的健康风险,且不同形态胞外抗生素抗性基因的风险存在显著差异,然而当前针对胞外抗性基因风险的研究极为稀少.本研究以序批式活性污泥反应器(SBR)为例,考察了污水生物处理过程中结合型和游离型胞外抗性基因产生的时空特征,以及曝气强度和污泥负荷的影响.结果 表明,SBR启动期2种胞外抗性基因均大量产生,且游离型胞外抗性基因的增加倍数和持续时间高于结合型:稳定运行后2种胞外抗性基因的丰度显著下降.从胞内外抗性基因的比重来看,好氧阶段以胞外抗性基因为主,且游离型胞外抗性基因比例达60％以上;厌氧阶段以胞内抗性基因为主,且结合型胞外抗性基因比例升高(7.5％～31.9％);出水中游离型胞外抗性基因占据绝对优势,比例达66.5％ ～ 86.9％.曝气强度提高使2种胞外抗性基因丰度显著提高,但游离型胞外抗性基因提高程度(2.2倍～12.2倍)高于结合型(2.1倍～62倍).污泥负荷提高同样导致2种胞外抗性基因丰度提高,但游离型胞外抗性基因提高程度(1.3倍～7.8倍)低于结合型(1.9倍～ 13.3倍).研究表明,大量胞外抗性基因将在污水生物处理过程中产生,并随污水排放至环境中,是水环境中抗生素抗性基因(ARGs)的重要来源之一.     

pH调节对活性污泥混合液膜过滤性的影响

探讨了用NaOH调节pH值对膜-生物反应器混合液膜过滤性能的影响,并通过分析污泥混合液性质的变化研究其作用机理.试验表明,适当调节pH到碱性,可以使膜过滤性能得到改善.投加碱液使污泥胞外多聚物(EPS)减少,污泥容积指数(SVI)降低,但上清液中总有机碳(TOC)浓度增加.混合液膜过滤性能的改善与污泥SVI的降低密切相关.在碱性条件下,从细胞表面脱落下来的EPS对絮体颗粒的絮凝性有一定促进作用,但效果有限.推测碱液处理使细胞表面的LB-EPS脱落,从而使细胞表面疏水性增加,有利于絮体颗粒之间的絮凝,从而有利于混合液膜过滤性的改善.     

有机底物对活性污泥胞外聚合物的影响

研究了城市污水中常见的具有不同特性的有机底物(蛋白胨、葡萄糖、乙酸钠,以及乙酸钠和葡萄糖的混合物)分别在四个相同的反应器中所培养的活性污泥胞外聚合物的量和组成．结果表明：有机底物的特性影响胞外聚合物的组成和量,在乙酸钠为底物的污泥中,胞外多糖占大部分(糖类／蛋白质的比值为1．7—8.6,质量比),而以蛋白胨为底物时,胞外蛋白质占主要成分(糖类／蛋白质的比值为0.2-0.5);以乙酸钠为底物形成的胞外聚合物的总量较多,通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对活性污泥进行观测,确证了胞外聚合物的存在及其形式,并得到了胞外聚合物层的大致尺寸．     

三种工业废水颗粒污泥的化学及微生物学组成

对ＵＡＳＢ反应器中处理酒精废醪、木材纤维板热压废水及石灰法造纸黑液颗粒污泥的化学及微生物组成进行了比较研究，结果表明：无机元素在颗粒污泥中的沉积与废水组成及运行条件密切相关；接种污泥中加入少量的颗粒污泥可作为新生颗粒污泥的生长核心；胞外多聚物有利于颗粒污泥的形成与稳定，其产量与颗粒污泥的生物量有关，其分布有一定的区域性；颗粒污泥的微生物组成与废水水质、运行温度及颗粒污泥所处的生理阶段等因素密切相关；丝状细菌，特别是索氏甲烷丝菌类似菌在颗粒污泥中起着重要作用；污泥颗粒化过程中各类生理菌群的增殖次序与其在厌氧消化过程中的功能次序一致。当发酵细菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌在每ｍＬ颗粒污泥中分别达到１０７－１０、１０５－７、１０６－８和１０５－６个时，可构成一个较稳定的厌氧微生态系统。     

A hybrid membrane process for simultaneous thickening and digestion of waste activated sludge

A hybrid membrane process for simultaneous sludge thickening and digestion (MSTD) was studied. During one cycle (15 d) of operation under a hydraulic retention time of 1 d, the concentration of mixed liquor suspended solids (MLSS) continuously increased from about 4 g·L⁻¹ to 34 g·L⁻¹, and the mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) increased from about 3 g·L⁻¹ to over 22 g·L⁻¹. About 42% of the MLVSS and 39% of the MLSS reduction were achieved. The thickening and digestion effects in the MSTD were further analyzed based on a mass balance analysis. Test results showed that biopolymers and cations of biomass were gradually released to the bulk solution during the process. It was also found that the capillary suction time, colloidal chemical oxygen demand, soluble microbial products, viscosity, and MLSS had significant positive correlations with the membrane fouling rate, whereas extracellular polymeric substances, polysaccharides, and proteins extracted from biomass had negative impacts on membrane fouling.     

丝状细菌污泥膨胀的FISH探针研究进展

在活性污泥法处理污水的工艺中,丝状细菌的过度繁殖常引起大量的泡沫并引发污泥膨胀.该现象的发生导致二沉池的污泥不能有效地沉淀,并大量流出,影响了污水处理厂的正常操作.本文综述了引起污泥膨胀发生的7大类潜在丝状细菌及其相关生理生态学特性;列举了国内外现有的潜在丝状细菌的FISH探针及其相关的杂交条件.目前,在活性污泥丝状细菌的分类鉴定、胞外酶、细胞表面特性和相关生态生理学特性方面,荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization,FISH)技术均起到重要的作用,而国内相关的研究很少.设计特异性的FISH探针,并以此进行定量荧光原位杂交,将是国内污泥膨胀问题未来研究的重点方向之一.表7参57     

The microbiological control of mine waste pollution

The removal of heavy metals and neutralisation of acidity in mine waste waters by algae and bacteria are reviewed. Algal growths in artificial meander systems have been shown to remove significant quantities of heavy metals and fine particulates from mine waste waters. Bacterial systems for the oxidation of ferrous iron and the reduction of sulphate leading to neutralisation of acidity are described. The use of bacterial extracellular polymers in the removal of heavy metals from solution is discussed with reference to its application to acid mine waters. It is concluded that a combination of bacterial and algal systems with process optimisation, including nutrient amendment, may provide suitable treatment for mine waste waters. Metal-resistant bacteria may also be important in reclamation, where it is possible that they can confer some degree of tolerance on the plants used to revegetate metal-contaminated tailings dumps.     

胞外聚合物物理法提取过程的优化

对物理法提取活性污泥中的胞外聚合物(EPS)进行了优化.分别考察了超声时间、振摇时间、离心速度和时间以及加热时间对EPS的松散附着(LB)和紧密粘附(TB)提取的影响,得出污泥EPS物理法提取的优化方案.     

污水处理中的污泥减量新技术

污水好氧处理会产生大量污泥，剩余污泥的处理成本高昂，减少污泥产量势在必行。文章介绍了代谢解偶联、增加维持能量消耗、隐性生长、微型动物捕食、高溶解氧工艺和膜生物反应器等污泥减量技术，比较了各种技术的优缺点，指出了不同技术结合将成为污泥减量技术的发展方向。     

A new polystyrene-latex-based and EPS-containing synthetic sludge

Since the living microorganisms in activated sludge continuously change, it is difficult to conduct controlled experiments and achieve reproducible results for evaluating sludge characteristics. Synthetic sludge, as a chemical surrogate to activated sludge, could be used to investigate the sludge physicochemical properties, and it is desirable to prepare synthetic sludge with similar structure and properties to real activated sludge to explore the flocculation and settlement processes in activated sludge systems. In this work, a high-strength synthetic sludge was prepared with functional polystyrene latex particles as the framework and extracellular polymeric substances (EPS) to modify its surface. The flocculation and settling characteristics of the microspheres and the prepared synthetic sludge were tested. Compared with other three functional polystyrene latex microspheres, the synthetic sludge prepared with EPS-modified polystyrene latex microspheres showed good settling characteristics and a significantly higher strength. They could be used for studying the physicochemical properties of activated sludge.     

Biotoxicity evaluation of zinc oxide nanoparticles on bacterial performance of activated sludge at COD,nitrogen, and phosphorus reduction

• ZnO-NP disrupted metabolic/catabolic balance of bacteria by affecting DHA activity. • ZnO-NPs toxicity was related to Zn²⁺ ion, interaction with cell and ROS generation. • Exposure to ZnO-NPs resulted in changed bacterial community structure at sludge. • The change in the EPS content was observed during exposure to ZnO-NPs. The unique properties and growing usage of zinc oxide nanoparticles increase their release in municipal wastewater treatment plants. Therefore, these nanoparticles, by interacting with microorganisms, can fail the suitable functioning of biological systems in treatment plants. For this reason, research into the toxicity of ZnO is urgent. In the present study, the toxicity mechanism of ZnO-NPs towards microbial communities central to granular activated sludge (GAS) performance was assessed over 120-day exposure. The results demonstrate that the biotoxicity of ZnO-NPs is dependent upon its dosage, exposure time, and the extent of reactive oxygen species (ROS) production. Furthermore, GAS performance and the extracellular polymeric substances (EPS) content were significantly reduced at 50 mg/L ZnO-NPs. This exposure led to decreases in the activity of ammonia monooxygenase (25.2%) and nitrate reductase (11.9%) activity. The Field emission scanning electron microscopy images confirmed that ZnO-NPs were able to disrupt the cell membrane integrity and lead to cell/bacterial death via intracellular ROS generation which was confirmed by the Confocal Laser Scanning Microscopy analysis. After exposure to the NPs, the bacterial community composition shifted to one dominated by Gram-positive bacteria. The results of this study could help to develop environmental standards and regulations for NPs applications and emissions.