厌氧颗粒污泥中微生物种群变化的分子生物学解析

荧光定量-聚合酶链式反应(RTQ-PCR)与荧光原位杂交(FISH)技术对厌氧反应器内不同状态下颗粒污泥中微生物种群的数量变化与空间分布进行研究.结果发现,颗粒污泥中真细菌明显多于古细菌,但随着厌氧反应器有机负荷的提高,古细菌明显增加,其中产甲烷丝菌也明显增加;真细菌多分布生长在颗粒污泥的外层,而对环境条件敏感的古细菌多分布生长在内层,且随着反应器有机负荷的提高,这种层状分布的特点更为明显.     

降解五氯酚厌氧生物反应器微生物种群结构的分子特性研究

采用PCR—DGGE技术，对降解PCP厌氧生物反应器污泥颗粒化过程微生物种群结构的时空分布变化特性进行了初步研究．结果表明，随着PCP负荷增加与污泥的颗粒化，污泥真细菌、古细菌组成均发生明显变化．当反应器稳定运行时，反应器内上下层污泥微生物种群结构组成相似，真细菌相似性Cs在71．4～77．6之间，古细菌Cs在70．4～76．7之间．反应器一旦受污染物负荷冲击干扰，反应器上下层污泥真细菌组成相似性Cs降至43．3，古细菌降至35．2．测序表明，颗粒污泥中存在不可培养的脱氯细菌，优势产甲烷细菌为Methanosaeta concilii、Methanobacterium sp．、Methanobrevibacter sp．和Methanothfix soehngenii．     

高效厌氧产甲烷颗粒污泥中微生物多样性及定量化研究

以小试高效厌氧反应器不同运行阶段的颗粒污泥为对象,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)、荧光原位杂交(FISH)和实时定量链式聚合酶反应(RTQ-PCR)等技术研究了其中微生物种群的多样性、特征微生物的空间分布和定量关系,结果表明:随着反应器有机负荷逐渐提高,颗粒污泥中古菌的群落结构的变化较细菌更为明显;细菌多分布在颗粒外层,而古菌则主要分布在颗粒内层;古菌含量略少于细菌,但有逐渐增多的趋势;产甲烷丝菌在古菌中的含量增加明显.     

厌氧折流板反应器(ABR)中微生物种群演替特征

采用SEM,FISH和PCR-DGGE技术对ABR(厌氧折流板反应器)各隔室中厌氧颗粒污泥进行分析,考察微生物形态、真细菌数量及种群结构演替过程,并对优势菌种进行了系统发育分析. 结果表明:ABR反应器颗粒污泥微生物中杆菌占优势,其中前端的微生物生长较好,活性高;沿反应器流程方向,各隔室微生物总量逐渐降低,真细菌相对丰度随之递减,其中1#隔室真细菌相对丰度最高,为65.9%,而5#隔室只有27.2%. 此外,ABR反应器前端以真细菌为主,而后端隔室古细菌含量升高,微生物种群随流程发生显著演替,但5个隔室间真细菌的Shannon-Wiener多样性指数没有显著性变化. UPMGA聚类分析表明,1#隔室与2#隔室的微生物群落相似性为77%,4#隔室与5#隔室的相似性为85%,3#隔室与其他隔室的相似性均较低,表明ABR反应器前端以发酵产酸作用为主,后端以产甲烷作用为主,ABR反应器具有明显的分阶段多相工艺特点.      

好氧亚硝化颗粒污泥中硝化细菌群落结构分析

在小试好氧上流式污泥床(AUSB)反应器中,实现了由厌氧颗粒污泥到好氧硝化污泥再到亚硝化颗粒污泥的转化,AUSB反应器的亚硝化率稳定在90%以上.利用FISH、荧光实时定量PCR等技术,考察了AUSB反应器中好氧颗粒污泥中硝化菌群的生态分布.结果表明:好氧亚硝化颗粒污泥呈层状结构,氨氧化细菌(AOB)主要分布在颗粒污泥表层,亚硝酸盐氧化细菌(NOB)多分布在内层,颗粒内核则无活性细胞;随反应器氨氮负荷逐渐提高,颗粒污泥中AOB的相对含量逐渐升高,当NH₃-N负荷分别为0、0.4、1、     

不同低碳氮比废水中好氧颗粒污泥的长期运行稳定性

为了研究好氧颗粒污泥系统处理低碳氮比废水的长期运行稳定性,采用低碳氮比（C/N）条件下逐步增加碳氮负荷的进水方法,分别在反应器A和B中接种好氧颗粒污泥,考察其长期运行过程中的理化性质、处理性能及应对冲击负荷的稳定性.其中A反应器的碳氮比一直维持在2,而B则由4逐步降至2.结果表明,在4℃存储30d的好氧颗粒污泥,经过25d的培养,其活性基本恢复,A、B反应器化学需氧量（COD）和氨氮（NH₄⁺-N）的去除效率均达到90%以上.在其后的稳定阶段,B反应器COD和NH₄⁺-N去除率达到90%以上,实现了完全硝化;而A反应器COD去除率仅80%左右,虽然NH₄⁺-N去除率最终也达到90%以上,但仅实现短程硝化.在冲击负荷阶段,A和B反应器COD去除率仍维持在80%以上,但是NH₄⁺-N去除受到很大冲击.A反应器NH₄⁺-N去除效率恶化,B反应器仅实现了部分硝化.整个运行过程,好氧颗粒污泥的物理性质受到的影响不大,A和B反应器的污泥容积指数（SVI₃₀）分别维持在60 mL ·g^-1和75 mL ·g^-1左右,混合液悬浮固体（MLSS）在5g ·L^-1和3.7g ·L^-1左右.颗粒污泥微生物群落分析表明,B反应器相对于A反应器丰富度和多样性更高.同时B反应器具有更高丰度的Zoogloea属,在颗粒中能产生更多的胞外蛋白促使颗粒结构更稳定,保证系统的长期稳定运行.以上结果表明,与C/N为2的好氧颗粒污泥系统相比,C/N为4的系统脱碳硝化效果好,抗冲击负荷能力强,更有利于颗粒污泥的长期稳定运行.     

基于mcrA基因的厌氧颗粒污泥产甲烷菌群分析

基于mcrA基因对阿维菌素废水处理工业化UASB厌氧颗粒污泥中产甲烷菌群进行分析,并与基于16S rRNA基因的产甲烷菌群分析结果进行比较.结果表明,基于2种目标基因PCR产物的DGGE图谱存在差异,但根据图谱计算所得产甲烷菌群Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数和Berger-Parker优势度指数没有差异,表明基于2种目标基因的产甲烷菌群多样性分析基本一致.基于不同目标基因的优势产甲烷菌群系统发育种属的分析结果大体相似,产甲烷杆菌目和产甲烷八叠球菌目是厌氧颗粒污泥样品中的优势产甲烷种群;同时,分析结果的差异表明2种目标基因的检测特异性不完全相同.基于2种目标基因的产甲烷菌群FISH杂交区域具有很高的一致性,但杂交区域面积有所差异.基于mcrA基因FISH检测的产甲烷菌群平均相对丰度为24.25%±6.47%,低于基于16S rRNA基因FISH检测结果(33.42%±2.34%).以上结果表明,基于mcrA基因与基于16S rRNA基因的的产甲污泥菌群分析结果具有较高的相似度,mcrA基因可以作为16S rRNA基因的替代目标基因.     

限NH4+和限NO2-厌氧氨氧化系统的运行特性及微生物种群特征

在控制进水TN浓度<50 mg·L^-1、水力停留时间为2.0 h和水温为20℃条件下,采用连续流完全混合式反应器对比研究了限NH₄⁺和限NO₂^-厌氧氨氧化系统的脱氮效能及微生物种群特征.结果表明,尽管两厌氧氨氧化反应器维持了类似的TN去除负荷［0.45~0.5 kg·（m³·d）^-1］和TN去除率（70%左右）,但限NH₄⁺厌氧氨氧化反应器中ΔNO₃^-/ΔNH₄⁺呈现更快的上升趋势.批式试验及高通量测序结果表明,限NH₄⁺厌氧氨氧化反应器比限NO₂^-反应器具有更为显著的功能及微生物种群空间异质性.Candidatus_Brocadia是两反应器中的优势厌氧氨氧化菌属,限NH₄⁺条件下Candidatus_Brocadia在大粒径颗粒污泥中的富集水平（53.9%）显著高于絮体污泥（19.1%）;而在限NO₂^-条件下颗粒污泥与絮体污泥中Candidatus_Brocadia的相对丰度差别不大,分别为28.1%和21.3%.两反应器中均有Nitrospira存在且主要生存于絮体污泥中,对O₂的需求应是驱动Nitrospira于絮体污泥中生长的关键因素;此外,限NH₄⁺（即NO₂^-富余）环境可以促进Nitrospira的生长繁殖.综上,提出了基于选择性排泥的限NH₄⁺厌氧氨氧化系统优化运行策略.     

IC反应器处理啤酒废水的效能及其微生物群落动态分析

在35℃下连续运行内循环厌氧反应器(IC),通过不断提高进水容积负荷,研究不同运行负荷下反应器处理模拟啤酒废水的运行情况,并探讨微生物的种群结构与其活性变化之间的相互关系.IC反应器效能分析表明其最大进水容积负荷(以COD计)可达20 kg.(m3.d)-1,COD去除率为85%以上,最大比产甲烷活性(以VSS计)可达210 mL.(g.d)-1;污泥脱氢酶活性与细菌DGGE图谱表明反应器中脱氢酶活性的变化趋势与细菌DGGE条带总光强度的变化趋势一致,DGGE图谱中细菌条带的总光密度值可作为厌氧体系中生物量的一个参考指标;辅酶F420与古细菌DGGE分析表明,污泥中辅酶F420含量与甲烷鬃菌属(Methanosaeta sp.)的相对丰度有一定的相互联系,在低负荷条件下甲烷八叠球菌属(Methanosarcina mazei)优势地位比较显著,随着负荷的提高,甲烷鬃菌属(Methanosaeta sp.)优势地位逐渐显著,且辅酶F420含量随之升高,当最大负荷为20kg.(m3.d)-1时,辅酶F420的含量(以VSS计)达到0.16μmol.g-1,而此时甲烷鬃菌属(Methanosaeta sp.)占据尤为明显的优势地位;聚类分析(UPGAMA)和Shannon指数也表明在不同反应负荷下,微生物的群落结构变化明显.     

不同污泥在微波预处理-厌氧消化过程中抗性基因分布及菌群结构演替

城市污水厂剩余污泥是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）的重要储存库,污泥处理过程中ARG的转归趋势及其与菌群结构变化的关系仍需人们深入研究.本研究考察了A²O和A²O-MBR工艺的城市污水厂剩余污泥的ARG与细菌群落结构在微波预处理-厌氧消化处理过程中的演变规律,结果表明,两种原污泥的菌群结构及携带的ARG丰度分布区别较大;虽然微波预处理不会显著改变菌群结构,但预处理-厌氧处理后的消化污泥菌群结构有显著差异;无论有/无预处理,厌氧消化过程对污泥中ARG和MGE的分布有趋同性的作用;ermF、qnrS和bla_NDM-1是厌氧消化过程中易于增殖传播的抗性基因;污泥特性中,生物量、氨氮和正磷对ARG和MGE分布的影响力最大;污泥性质对细菌群落结构、尤其是部分功能菌属变化有重要影响.本研究结果可为人们进一步了解污泥厌氧消化过程中ARG的传播与控制提供科学参考.     

高钙废水颗粒污泥中古菌菌群结构变化的分析

为了解高浓度Ca~(2+)与颗粒污泥中古菌菌群结构的关系,利用高通量测序分析IC(Internal Circulation)反应器(以废纸造纸废水为处理对象)内不同高度处颗粒污泥中古菌菌群组成,并利用SEM(Scanning Electron Microscope)和EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析颗粒污泥的形态结构和元素组成,同时借助红外光谱和XRD(X-ray diffraction)分析不同高度处颗粒污泥化学结构中各官能团的分布情况和无机成分.结果表明,随着反应器高度的增加,颗粒污泥中的无机成分CaCO_3也随着增加,而种泥中钙含量只有1.81%.种泥和ICR反应器内的颗粒污泥中古菌在门分类水平上主要包括Euryarchaeota和Bathyarchaeota,两者之和占90%以上.在属分类水平上,主要包括Methanosaeta、Methanoregula、Methanobacterium、Methanosarcina、Methanolinea、Methanospirillum等.种泥中古菌的物种多样性要明显高于IC反应器中,在IC反应器中不同高度处古菌生物多样性由高到低的顺序是5 m2 m7 m,5 m处的古菌物种更加丰富.随着反应器高度的增加,乙酸营养型甲烷菌的相对丰度呈现递增趋势,氢营养型甲烷菌则呈现递减趋势,而种泥中氢营养型甲烷菌相对丰度较大.这表明颗粒污泥在高钙废水的长期作用下,氢营养型甲烷菌的相对丰度减少,乙酸营养型甲烷菌的相对丰度增多,系统中古菌物种的相对丰度和多样性有所下降.CaCO_3沉淀使颗粒污泥的产甲烷活性降低,主要表现为其对氢营养型甲烷菌具有较大的抑制作用.     

硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群驯化及其群落特征

甲烷的温室效应是二氧化碳的26倍,高浓度硫酸盐废水对水体、土壤和植物均有危害.硫酸盐为氧化剂的甲烷厌氧氧化是减少甲烷的主要途径之一.本研究以硫酸盐作为电子受体,驯化培养硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群,采用PCR-DGGE技术分析细菌和古菌菌群多样性和群落结构特征,并对其中的优势菌进行系统发育分析.DGGE指纹图谱结果表明,硫酸盐的加入使微生物群落结构和优势种群数量发生了明显的改变,其增强了甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌的丰度,加入硫酸盐驯化的菌群,其细菌群落多样性增加而古菌群落多样性略微减少.典型条带测序结果显示,驯化后菌群的优势菌种主要包括螺旋体门(Spirochaetes),除硫单胞菌目(Desulfuromonadales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷丝状菌属(Methanosaeta)等.驯化菌群的甲烷厌氧氧化研究结果显示,甲烷厌氧氧化的同时伴随硫酸盐的还原,甲烷的氧化产物为二氧化碳,硫酸盐的转化产物为硫化氢和硫单质.     

处理含酚废水曝气生物流化床中丝状菌种群结构的解析

应用曝气生物流化床反应器(ABFT)处理含酚废水,随着进水ρ(苯酚)由100 mg/L提高到400 mg/L,苯酚的去除率稳定在100%左右,且苯酚的去除主要发生在4个反应池中的第一池. 利用扫描电镜(SEM)、荧光原位杂交(FISH)和变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术对反应器内微生物种群进行分析. 扫描电镜结果表明,随着反应器进水ρ(苯酚)的提高,填料生物膜微生物逐渐演变为以丝状菌为主. 针对SSU rRNA的荧光原位杂交结果表明,反应器内丝状微生物主要为真菌. 分别对细菌和真菌的16S rDNA和18S rDNA 进行PCR-DGGE分析,结果表明,反应器内主要的苯酚降解菌为克氏地霉(Geotrichum klebahnii),同时存在发硫菌等丝状细菌. 聚类及多样性分析表明,苯酚对微生物种群表现出很强的选择性.      

浑河底泥细菌与古菌群落结构空间变化特征研究

利用变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,考察了浑河表层底泥中细菌与古菌的多样性及群落结构变化情况.多样性结果表明,从上游至下游,底泥样品中细菌与古菌的种群结构均呈现由单一向复杂的演替趋势,且两者的Shannon多样性指数均在沈阳市下游的采样点-白塔堡河汇入浑河处分别达到其最大值3.88和2.91;而浑河底泥中细菌多样性及种群丰度均大于古菌多样性及种群丰度.群落结构的聚类分析结果表明,浑河底泥中细菌的群落结构具有明显区域特征,而古菌群落结构上下游保持稳定.冗余梯度分析(RDA)结果表明,上覆水中NO-3-N、NO-2-N、pH和Chl-a是影响细菌群落的主要因素,而NH+4-N、Chl-a、TP和NO-3-N则是影响古菌群落的主要因素.     

Application of high OLR-fed aerobic granules for the treatment of low-strength wastewater：Performance, granule morphology and microbial community

Aerobic granules, pre-cultivated at the organic loading rate (OLR) of 3.0 kg COD/(m3 ·day), were used to treat low-strength wastewater in two sequencing batch reactors at low OLRs of 1.2 and 0.6 kg COD/(m3 ·day), respectively. Reactor performance, evolution of granule morphology, structure and microbial community at low OLRs under long-term operation (130 days) were investigated. Results showed that low OLRs did not cause significant damage to granule structure as a dominant granule morphology with size over 540 μm was maintained throughout the operation. Aerobic granules at sizes of about 750 μm were finally obtained at the low OLRs. The granule reactors operated at low OLRs demonstrated effective COD and ammonia removals (above 90%), smaller granule sizes and less biomass. The contents of extracellular polymeric substances in the granules were decreased while the ratios of exopolysaccharide/exoprotein were increased (above 1.0). The granules cultivated at the low OLRs showed a smoother surface and more compact structure than the seeded granules. A significant shift in microbial community was observed but the microbial diversity remained relatively stable. Confocal Laser Scanning Microscopy observation showed that the live cells were spread throughout the whole granule, while the dead cells were mainly concentrated in the outer layer of the granule, and the proteins, polysaccharides and lipids were mainly located in the central regime of the granule. In conclusion, granules cultivated at high OLRs show potential for treating low-strength organic wastewater steadily under long-term operation.     

Effect of seed sludge on characteristics and microbial community of aerobic granular sludge

Aerobic granular sludge was cultivated by using different kinds of seed sludge in sequencing batch airlift reactor.The influence of seed sludge on physical and chemical properties of granular sludge was studied;the microbial community structure was probed by using scanning electron microscope and polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis(PCR-DGGE).The results showed that seed sludge played an important role on the formation of aerobic granules.Seed sludge taken from beer wastewater treatment plant(inoculum A) was more suitable for cultivating aerobic granules than that of sludge from municipal wastewater treatment plant(inoculum B).Cultivated with inoculum A, large amount of mature granules formed after 35 days operation, its SVI reached 32.75 mL/g, and SOUR of granular sludge was beyond 1.10 mg/(g·min).By contrast, it needed 56 days obtaining mature granules using inoculum B.DGGE profiles indicated that the dominant microbial species in mature granules were 18 and 11 OTU when inoculum A and B were respectively employed as seed sludge.The sequencing results suggested that dominant species in mature granules cultivated by inoculum A were Paracoccus sp., Devosia hwasunensi, Pseudoxanthomonas sp., while the dominant species were Lactococcus raffinolactis and Pseudomonas sp.in granules developed from inoculum B.