PCR-DGGE技术解析生物制氢反应器微生物多样性

为了揭示发酵法生物制氢反应器厌氧活性污泥的微生物种群多样性 ,从运行不同时期取厌氧活性污泥 ,通过细胞裂解直接提取活性污泥的基因组DNA .以细菌 16SrRNA基因通用引物F338GC/R5 34进行V3高变异区域PCR扩增 ,长约 200bp的PCR产物经变性梯度凝胶电泳 (DGGE)分离后 ,获得微生物群落的特征DNA指纹图谱 .研究表明 ,不同时期的厌氧活性污泥中存在共同种属和各自的特异种属 ,群落结构和优势种群数量具有时序动态性 ,微生物多样性呈现出协同变化的特征 .微生物多样性由强化到减弱 ,群落结构之间的相似性逐渐升高 ,演替速度由快速到缓慢 .优势种群经历了动态演替过程 ,最终形成特定种群构成的顶级群落 .     

处理不同废水MBR系统中微生物群落结构的比较

为了研究膜生物反应器中微生物群落结构与系统处理效能的关系.为工艺改进提供依据,从4种处理不同水质的MBR污泥中提取细菌总基因组DNA,采用PCR-DGGE和克隆测序技术对系统中的微生物群落结构进行了解析,根据序列数据进行同源性分析并建立了系统发育树.结果表明,在长期稳定运行后不同MBR中形成了各自特有的生态群落,进水水质对总细菌的群落结构有着较大的影响,处理含有较复杂成分废水的反应器中,种群多样性较高,Shannon指数分别为0.77和0.78.总细菌中,主要优势种群以Proteobacteria纲(8个OUTs)和Bacillus属(2个OUTs)为主.不同反应器中氨氧化菌群结构较为相似,存在着相同的顶级优势群落;测序结果表明MBR中存在着多种亚硝化菌属,其中以亚硝化单胞菌属最为普遍,并鉴定出2株反硝化菌属UncuItured Achromobacter sp.和Uncultured denitrifying bacterium,说明反应器中可能同时存在多种硝化和脱氮途径.     

MBR活性污泥培养驯化过程中生物多样性研究

以MBR反应器启动调试阶段的活性污泥为主要研究对象,系统考察了传统活性污泥法(Conventional activated sludge,CAS)污泥接种至MBR反应器内污泥培养驯化过程中生物多样性情况及微生物群落结构的演变规律.同时,在传统污水污泥检测指标的基础上,对各阶段污泥中总细菌基因组DNA进行提取,应用PCR-DGGE分子生物学技术获得了相应的凝胶电泳图谱并进一步分析了菌群间的相似性.结果表明,以CAS污泥为接种污泥在MBR反应器内培养驯化过程中微生物的多样性变化突出,细菌群落结构演替明显,不同阶段菌群间的相似性说明了各阶段菌群的演变关系:污泥培养驯化是一个逐步有序的过程,微生物随反应器内不同时期及环境的变化而调整,逐渐演变成适应MBR工艺的群落结构.     

MBR中微生物群落结构的演变与分析

为了揭示膜.生物反应器中微生物群落结构多样性的演变过程,通过细胞裂解法直接提取不同时期污泥中的基因组DNA,利用基于16SrDNA的PCR-DGGE技术获得了微生物群落的DNA特征指纹图谱,并对条带进行了统计分析和切胶测序,使用序列数据进行了同源性分析并建立了系统发育树.DGGE分析表明,在反应器运行前17d内污泥中微生物群落结构变化很大,与接种污泥的相似性系数下降到了29.2%,从而说明MBR中处理工艺和进水水质的改变导致微生物群落结构多样性降低.在试验过程中,Pscudomonas和Aeromonas hydrophila等种群一直保持着较为稳定的优势地位,也有原始种群如Bacillus sp.的消亡和以Enterococcus faecalis、Comamonas sp.、Fusobacterium sp.等为代表的次级种群的强化和演变.UPGMA聚类分析将DGGE图谱区分为3大类群并对应于各自的运行时期.测序结果表明,MBR中微生物菌群间进化距离较大,其中Proteobaeteria纲和Bacillus属细菌较多.在反应器运行后期演变为优势地位的菌群(如Comamonas sp.)加剧了膜污染物的产生和积累.     

利用PCR-DGGE研究膜生物反应器中微生物的群落结构

使用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术(PCR-DGGE)考查了天津某再生水处理厂膜生物反应器(Membrane Bioreactor,简称MBR)培养驯化直至正常运行全过程中总细菌群落结构的演替情况.结果表明,在MBR环境中,接种的传统活性污泥中的微生物群落在几天内发生了较大的变化,在进污水驯化时,微生物群落也遭受了冲击,最后经过培养驯化趋于稳定,一些菌种逐渐成长为顶级优势微生物,在反应器内占据主导地位.最终该反应器逐渐形成了自己独有的微生物群落生态系统.另外,对该微生物群落的部分优势总细菌进行了克隆测序和系统发育树分析,通过鉴定获得的10条总细菌的16S rDNA序列,它们分别与气单胞菌属、假单胞菌、亚硝酸菌属、丛毛单胞菌属和杆菌的同源性在97%以上,这些优势微生物在MBR反应器去除有机物的过程中起到了关键的作用.     

异养硝化-好氧反硝化菌Burkholderiasp.YX02强化连续流反应器中微生物群落结构解析

为揭示生物脱氮反应器中微生物群落结构随时间变化的动态演替过程,以投加包埋固定化异养硝化-好氧反硝化菌Burkholderia sp.YX02建立的连续流反应器为研究对象,利用PCR-DGGE技术获得了不同阶段下微生物群落结构的DNA特征图谱并对图谱进行了多元统计分析,同时考察了微生物群落结构的变化与反应器中p H、NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N及COD等环境因子的相关性.结果表明,反应器在18 d的运行期间微生物群落较为丰富,各阶段群落结构的相似性并不随着反应器的运行而有序递减,相邻阶段群落结构的相似性先下降后上升,反应器内的菌群经演替最终形成了稳定的菌群结构.Shannon-Wiener多样性指数变化与反应器的运行显著关联,不同阶段多样性指数差异明显,整体上呈先下降后上升的趋势,运行后期出现了新的菌群.UPGMA聚类分析大致将反应器的运行过程划分为3个时期,且不同时期存在一定的演变关系.对DGGE图谱进行主成分分析(principal component analysis,PCA)表明,随着反应器的运行,劣势菌被大量淘汰、优势菌株常驻,运行后期形成以包埋菌Burkholderia sp.YX02为代表的新的菌群结构.对微生物的群落结构与环境因子的相关性进行典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)表明,NO-2-N对微生物群落结构的影响最大,其次为NO-3-N、NH+4-N和COD,p H影响最小.     

厌氧出水培养好氧颗粒污泥及其微生物多样性分析

以处理黄连素废水的厌氧折流板反应器(ABR)出水为进水基质,在序批式反应器(SBR)中培养好氧颗粒污泥,反应器运行80 d后形成粒径在2~10 mm间的成熟稳定的颗粒污泥。采用扫描电镜(SEM)和聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对好氧污泥颗粒化进行分析,考察微生物形态、群落演替和多样性,并对优势菌种进行了分析。DGGE图谱表明,好氧污泥颗粒化进程中,微生物种群呈明显演替变化,好氧颗粒污泥菌群多样性较强。克隆测序结果表明,好氧颗粒污泥反应器优势菌群主要为未分类bacteria、CFB group bacteria和Bacteroidetes。     

反硝化脱硫工艺中微生物群落结构及动态分析

为了研究反硝化脱硫工艺(denitrifying sulfide removal,DSR)中微生物群落与工艺运行的相关性,实验提取了反应器运行不同阶段污泥样品中微生物的全基因组DNA,利用高通量宏基因组学技术———基因芯片来解析各阶段功能微生物群落的结构特征及其演替过程.通过对功能基因的Simpson、Shannon多样性指数和聚类分析表明,微生物群落结构会随着反应器运行的阶段进行相应调整,且变化较大.在运行的前两个阶段,由于不适应环境,微生物群落的多样性指数比起始时明显减少,随着反应器的运行污泥逐渐成熟,多样性指数迅速增加,也标志着反应器进入稳定运行阶段.通过对反硝化脱硫过程中关键基因相对丰度的分析发现,功能基因的丰度不仅能反映功能菌群的活性,而且与工艺处理效果密切相关.     

膜生物反应器活性污泥酶活与磷脂脂肪酸分析

分析了不同污染负荷下膜生物反应器的运行效率,并运用酶活表征污泥活性,用磷脂脂肪酸(PLFAs)分析微生物种群结构及其分布特征.结果表明,膜生物反应器对COD,TP,TN,NH4+-N 保持着高而稳定的去除率,不同有机负荷下去除率差异不大(P>0.05);磷酸酶活性在低污染负荷下最高,脱氢酶、β-糖苷酶在中低污染负荷时的活性比高污染负荷时高,脲酶及蛋白酶活性随负荷增加而升高;活性污泥PLFAs 组成以单不饱和脂肪酸、饱和脂肪酸和支链脂肪酸为主,而多不饱和脂肪酸与环丙烷脂肪酸含量较少,特征脂肪酸的比值表明在反应器中好氧细菌占绝对优势;微生物的群落结构分析显示,活性污泥中好氧原核微生物为优势类群,其次是革兰氏阳性细菌及其他厌氧细菌,而真核微生物所占比例最低.     

膜-生物反应器中活性污泥沉降性能与膜污染相关性研究

结合连续流小试，对膜．生物反应器运行过程中，活性污泥沉降性能的变化及其对膜污染的影响进行了研究．结果表明，随着运行时间的增长，该系统内丝状菌大量繁殖，活性污泥沉降性能变差，SVI值升高．随之，膜过滤压差(过滤阻力)平均上升速率有所增加，膜过滤周期缩短．膜过滤压差的“两阶段性(平缓上升期和加速上升期)”变化规律趋于明显，平缓上升期和加速上升期的膜过滤压差上升速率随污泥SVI值的升高分别呈现下降和上升的趋势．污泥沉降性能的变化对膜污染过程产生明显影响．电镜观察表明，污泥沉降性能对膜过滤压差的影响与膜面污染层的结构和厚度有关．     

在线NaClO反洗对倒置A2O-MBR系统微生物群落的影响

为研究在线NaClO反洗对MBR系统微生物群落结构的影响,采用倒置A2O-MBR反应器分别经历稳定期、在线纯水反洗及在线NaClO反洗阶段,监测系统运行效果、膜污染状况以及微生物群落结构特征.结果表明,在线NaClO反洗阶段反应器对COD、氨氮、TN等的去除效果与反洗前相差无几.在线纯水反洗后平均膜污染速率较稳定期有所降低,而在线NaClO反洗阶段膜污染速率增加,EPS浓度最高,膜污染加剧. Chao指数、Simpson指数和Shannon指数结果表明,在线NaClO反洗后好氧池污泥的微生物多样性几乎不变,而滤饼层污泥的种群丰度略微升高,但微生物的种群多样性明显降低.好氧池和滤饼层污泥的微生物种群主要以变形菌门(Proteobacteria)为主,其次是拟杆菌门(Bacteroidetes).经在线NaClO反洗后,好氧池污泥的变形菌门和拟杆菌门种群相对丰度变化很小,而滤饼层污泥的种群组成变化明显,对氯消毒剂有一定抵抗性的变形菌门从53. 4%增加到77. 8%,而拟杆菌门从33. 4%减少至14. 5%.经在线NaClO反洗后,好氧池和滤饼层在科水平微生物群落分布上十分相似,固氮螺菌科、丛毛单胞菌科等相比NaClO反洗前明显增加,那些能够耐受NaClO处理的微生物种可能是在线NaClO反洗阶段膜污染加剧的主要原因.     

丝状菌对膜-生物反应器中膜污染过程的影响

结合动态运行试验,针对丝状菌对膜污染过程的影响进行了跟踪观察和分析.结果显示,丝状菌与膜表面污染物形成过程及结构、附着形式密切相关.丝状菌以黏着、穿透膜材料等固定形式,增加膜表面污染物的附着强度.丝状菌以立体网状结构形式在膜表面污染物形成及其结构中发挥重要作用,严重影响膜-生物反应器的处理能力及膜清洗效率,丝状菌是膜-生物反应器中危害性严重的一类微生物.     

生活垃圾堆肥过程中细菌群落演替规律

应用PCR-DGGE技术研究生活垃圾堆肥过程中的细菌群落演替规律,对堆肥不同时期的宏基因组DNA进行提取,扩增16S rDNA的V3区,分析生活垃圾堆肥过程中细菌群落的变化. DGGE图谱表明,随着堆体温度的升高,DNA条带表现出了明显的动态变化,降温期出现了新的优势条带并趋于稳定,说明堆肥不同时期的细菌群落发生了更替. 对条带分布进行聚类分析,结果表明:以55 ℃为界,将14个堆肥样品划分为2个族,族间的相似性仅为13%,说明堆肥过程中常温期(<55 ℃)和高温期(>55 ℃)微生物群落结构差别较大. 对优势条带回收测序的结果表明:在升温期,堆肥堆体中检测到H. obtusa和人类排泄物中的细菌;但随着温度的升高,具有纤维素降解功能的嗜热微生物Clostridium thermocellum成为堆肥高温期的优势细菌;当堆体温度小于55 ℃时出现了大量的未培养微生物.      

反渗透膜生物污堵监测及其控制的研究进展

综述了RO膜面微生物群落结构及EPS的最新研究进展,并对RO膜生物污堵的监测技术和控制方法进行总结。膜面微生物中变形菌门（α-,β-和γ-变形菌纲）、拟杆菌门和浮霉菌门相对丰度较高,产生EPS较多的鞘氨醇单胞菌属、假单胞菌属在膜污堵中起到重要作用。EPS中多糖更易附着于膜面,EPS中大分子组分的RO膜污堵潜势更高,透明胞外聚合物（TEP）能促进生物污堵的形成。对进水中有机物参数和微生物参数的测定能反映进水RO膜污堵潜势,但并不能用于确定膜面污堵的实际情况。而对RO膜组件的动态监测能够及时反映膜污堵状态。进水预处理和膜清洗已被用于延缓RO膜生物污堵,而膜改性和生物处理等方法的开发为RO膜生物污堵的控制提供了新途径。根据研究现状,认为今后反渗透膜抗生物污堵的研究需要完善进水生物污堵潜势评价指标,加大对膜面污堵中优势菌群和污堵潜势大的EPS的控制研究,并对新型抗污染改性膜的工程实用性进行关注。     

膜生物反应器系统中原生动物的群落特征

与常规生物处理工艺相比,膜生物反应器(MBR)系统由于污泥停留时间长、污泥浓度高等特点,因此反应器内微生物种群结构呈现不同的特点.通过对MBR系统中原生动物的群落结构进行为期近2年连续的监测结果表明,过长的污泥龄对系统中原生动物的种类与数量均有负面的影响.研究发现:①在长期不排泥的MBR系统中,当环境温度从11℃上升到25℃,原生动物的多样性呈显著上升趋势;②当污泥龄从350 d下降到30 d,MBR系统中原生动物的种类与数量明显增加.特别在较低的环境温度条件下,系统中原生动物的种类与数量随着污泥龄的缩短呈显著的上升趋势;③与相同污泥龄(SRT=30d)的氧化沟(TOD)系统相比,MBR的污泥中原生动物的种类与数量均低于TOD.     

低温时污泥膨胀对MBR中膜污染的影响

通过一体式膜生物反应装置考察了在低温条件下发生污泥膨胀过程中反应器的运行效果和膜污染的情况,并从微生物角度分析了引起膜污染的因素.结果表明,低温时COD上清液和出水平均去除率分别为85%和92%,发生丝状菌污泥膨胀后去除率变化不大.MBR中丝状菌污泥膨胀形成的过程中,污泥沉降性变差,丝状菌丰度（FI）由2增加到5,丝状菌伸出絮体形成网状结构.低温时膜操作压力随时间呈直线变化,膜组件的水力清洗周期为15 d.在丝状菌大量繁殖时缩短到7 d,膜污染严重.通过测定活性污泥的特性,发现膨胀污泥的胞外聚合物（EPS）总量是正常污泥的3倍,污泥絮体相对疏水性（RH）随FI的提高而增大.EPS和RH增大后会引起更多物质沉积到膜表面,使膜污染速率提高,膜的运行周期变短.进一步的分析表明,混合液粘度、Zeta电位、污泥絮体形态也是影响膜污染的因素.     

聚磷生物膜的快速启动及微生物特性研究

在同步去除并富集磷的基础上,探究采用前期不排泥、后期排泥的挂膜方式对聚磷生物膜反应器的运行效能、微生物特征及群落结构的影响.结果表明,经过驯化运行,聚磷生物膜的蓄磷能力明显提升.在挂膜阶段,生物膜厚度及EPS含量出现一定程度的增长;PN/PS上升至3.12,PN/PS比值增加有利于微生物粘附在填料上.在好氧出水达标的情况下,富集液中磷酸盐浓度提升至89.5 mg·L~(-1),达到了鸟粪石回收标准.高通量测序结果表明,经过富集培养,微生物群落多样性呈下降趋势,群落组成变化明显.优势菌门为变形菌门(Proteobacteria),其丰度从33.6%增长至75.3%;反应器中的聚磷菌属丰度明显增加,从11.8%上升至23.2%,红环菌属(Rhodocyclaceae)、UKL 13-1为反应器中的优势聚磷菌.     

MBR与SMBR脱氮除磷特性及膜污染控制

为提高污水深度处理效能和工艺运行的稳定性,研究以序批式膜生物反应器(SMBR)与传统膜生物反应器(MBR)为对象,对比研究其脱氮除磷特性、缺氧时间对工艺效率的影响及膜污染控制策略,同时应用分子生物学技术对两种工艺中微生物群落结构和组成进行分析.结果表明,间歇曝气能强化系统脱氮,使SMBR工艺去除总氮效果优于MBR,而在氨氮、总磷、COD、浊度去除方面两者无明显差异,去除率分别为94%、78%、80%、97%.延长SMBR工艺缺氧时间对COD、氨氮去除无显著影响,降低了总氮、总磷的去除率,总氮去除率由61%下降到46%,总磷由74%下降到52%.采用间歇曝气和投加一定浓度的粉末活性炭(PAC)均有利于减缓膜污染.微生物群落分析发现,两种工艺中微生物群落结构和组成无显著差异,硝化螺菌属(Nitrospira)和脱氯单胞菌属(Dechloromonas)为系统中的高丰度功能菌群,为工艺高效运行提供了生物学基础.     

湿地植物-沉积物微生物燃料电池阳极微生物群落多样性研究

阳极微生物种类及群落结构都会对微生物燃料电池的产电及底泥修复效果产生显著影响,因此,对微生物燃料电池阳极微生物群落多样性进行研究分析显得尤为重要.本研究利用风车草(Clinopodium Urticifolium)或短叶茳芏(Cyperus Malaccensis)两种植物结合受污染河涌底泥构建了湿地植物-沉积物微生物燃料电池(P-SMFC),同时构建无植物的沉积物微生物燃料电池(SMFC)作为对照,共3个电极处理组,每组3个平行.系统运行7个月后,分析其产电特性,并利用高通量测序对3个电极处理组生物膜微生物群落多样性进行分析,以探讨P-SMFC产电特性、阳极生物膜群落多样性及不同处理组之间群落结构的差异.结果表明,3个处理组中微生物群落结构存在明显差异,风车草和短叶茳芏两种植物的引入均会对微生物燃料电池系统中的细菌及古菌群落结构产生影响.植物的存在一方面有助于阳极生物膜各类细菌及古菌的生长,另一方面植物也有助于产电系统中阳极生物膜细菌及古菌群落多样性的增加,且风车草相比短叶茳芏而言,更能增加系统的古菌群落的多样性.在细菌群落分析中,3个处理组中都以变形菌门Proteobacteria为优势菌群,其次为绿弯菌门Chloroflexi,在所有菌属中以土杆菌属Geobacter的相对丰度最高,分别为PSM1处理组11.50%、SM处理组14.33%、PSM2处理组8.53%,为其优势菌属,但P-SMFC中该菌属的丰度相对较低.在古菌群落分析中,3个处理组中都以广古菌门Euryarchaeota的相对丰度最高,分别为PSM1处理组79.83%、SM处理组80.20%、PSM2处理组81.67%,成为优势菌门,其中以甲烷八叠球菌目Methanosarcinales的Methanosaeta属、甲烷杆菌目Methanobacteriales的Candidatus Methanoregula属的相对丰度最高,为其优势菌属.且Methanosaeta的相对丰度分别达到PSM1处理组21.43%、SM处理组25.00%、PSM2处理组23.16%,P-SMFC处理组的丰度相对较低;Candidatus Methanoregula的相对丰度分别为PSM1处理组13.05%、SM处理组11.73%、PSM2处理组16.02%,P-SMFC处理组的丰度相对较高.