悬浮填料生物膜反应器细菌群落季相更替对处理效果的稳定作用

针对生物实验室污水处理难度高及其秋冬季节达标率低的问题,采用改进工艺的悬浮填料生物膜反应器(moving bed biofilm reactor, MBBR)进行连续处理,观察秋冬季节MBBR水质处理效果,利用高通量测序技术研究环境因子水温(T_w)、溶解氧(DO)、pH对生物膜细菌群落更替的影响以及主要微生物种群变化。结果表明,T_w由26℃下降到10℃期间,反应器COD、NH_4~+-N去除率仍然分别保持在75%、80%左右,MBBR出水稳定在一级A标准。变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和浮霉菌门(Planctomycetes)是生物膜主要优势菌门,T_w的下降引起拟杆菌门的相对丰度显著升高。假单胞菌属(Pseudomonas)和黄杆菌属(Flavobacterium)在低T_w下成为优势菌属,动胶菌属(Zoogloea)相对丰度保持稳定。通过冗余分析(RDA)发现,DO与短波单胞菌属(Brevundimonas)、pH与脱氯单胞菌(Dechloromonas)、固氮弧菌属(Azoarcus)具有显著正相关性,T_w与假单胞菌属、黄杆菌属具有显著负相关性。MBBR结果揭示,细菌群落动态更替是MBBR出水水质仍然保持稳定的重要原因。     

ABR-MBR工艺反硝化除磷微生物群落特征分析

为了揭示ABR-MBR组合工艺中反硝化除磷微生物种群演替规律,采用Miseq高通量测序技术考察了该工艺在不同运行阶段除磷功能区的微生物群落结构。结果表明,硝化液回流比逐步从150%提升至300%可促进反硝化除磷菌大量富集,促进系统的启动和稳定运行;系统在运行过程中始终保持较高的微生物多样性;优势微生物种群均以变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为主,最大丰度分别为55.13%和7.76%,且变形菌门功能性微生物主要集中在γ-变形菌纲(Gamaproteobacteria);功能性除磷菌属主要为气单胞菌属(Aeromonas),假单胞菌属(Pseudomonas)和黄杆菌属(Flavobacterium);其中在逐步提升硝化液回流比过程中气单胞菌属(Aeromonas)被大量富集,其在γ-变形菌纲(Gamaproteobacteria)的相对丰度由5.30%上升至41.49%并在系统后续运行中维持主导地位。系统除磷效果与功能性除磷微生物相对丰度的变化密切相关。系统中微生物种群的多样性和功能微生物的结构稳定性为ABR-MBR工艺的稳定运行和高效处理提供了保证。     

京杭运河杭州段水体污染和细菌群落结构特征

为了解人类活动对城市河道水体污染和细菌群落的影响,选取京杭运河杭州段进行了分季节采样研究。测定了水体的环境与水质参数,分析了细菌丰度、胞外酶活性和群落结构变化。结果显示,从上游到下游,水体中高锰酸盐指数、氨氮、总氮以及细菌丰度和β-葡萄糖苷酶活性大体呈递增趋势,冬季水体总体污染水平及细菌丰度均显著高于其他季节。水体中细菌的主要种类集中在变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacterioidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和蓝藻门(Cyanobacteria),所占比例分别为37.8%、24.3%、18.9%、10.8%和8.1%,属于黄杆菌(Flavobacterium)、厚壁菌(Firmicutes bacterium)和放线菌(Actinobacterium)的细菌是水体中大多数时间的优势细菌。限制性排序分析显示,水体细菌群落结构从上游到下游差异明显,高锰酸盐指数和总氮是关键影响因子。杭州市区由人类活动产生的污染物输入是京杭运河杭州段的主要污染源,水体细菌群落对水体污染物的变化有着明显的响应。     

农村小管径重力流灰水管道中生物膜细菌群落的特征

为探究农村小管径重力流灰水管道系统生物膜的细菌群落结构特征,建立了一套模拟真实农村环境条件下水量变化且具有3组坡度参数(5‰,10‰,15‰)的小管径灰水管道实验设备,利用Illumina HiSeq高通量测序技术,分析了连续运行60 d后的管道生物膜的细菌群落特征。结果表明:Proteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes为优势菌门,优势菌属为Paenarthrobacte、Ensifer和Spingopyxis,坡度变化会显著影响生物膜细菌群落组成;小管径重力流灰水管道生物膜中存在一定丰度的反硝化细菌和硝化细菌,具有生物脱氮功能。通过PICRUSt功能预测发现,高坡度(15‰)的灰水管道具有更高的硝化和反硝化基因丰度。进一步分析可知,小管径灰水管道采用高敷设坡度的设计方案可能具有更强的生物脱氮能力。     

斑石鲷循环水养殖系统生物滤池微生物群落对水质变化的动态响应

为了解斑石鲷循环水养殖系统生物滤池内部细菌群落组成及其净水机制,通过高通量测序方法,研究了不同时期各级生物滤池的细菌群落结构,分析了各级生物滤池的水质参数及水处理效果。结果表明:实验筛选出37个门和513个细菌属,第3级生物滤池整体微生物群落丰富度和多样性均高于第1级和第2级生物滤池,第2级和第3级生物滤池微生物群落相似性最高。在门水平上,优势菌为变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes);在属水平上,发现了起硝化作用的亚硝化单胞菌属Nitrosomonas和硝化螺菌属Nitrospira;实验还发现该系统生物滤池可能存在功能上的浪费现象。该系统的细菌群落结构有稳定的演替模式,生物膜微生物群落变化对水质有一定程度的动态响应,Muricauda、Maribacter等反硝化细菌对硝态氮浓度的变化作用不明显。     

微酸性电解水喷雾消毒对垃圾房生活垃圾微生物群落的影响

为深入理解微酸性电解水喷雾消毒对垃圾房生活垃圾微生物群落结构的影响，采用微酸性电解水喷雾方式对上海市某小区垃圾房进行消毒处理，结合高通量测序方法确定细菌和真菌的群落丰度，评估该环境卫生风险防控技术的应用效果。结果表明：干、湿垃圾样品中，厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)为优势细菌门，子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)为优势真菌门，乳酸杆菌属(Lactobacillus)和不动杆菌属(Acinetobacter)为优势细菌属。微酸性电解水喷雾后，生活垃圾样品中厚壁菌门的相对丰度降低了12.9～22.5百分点；而变形菌门的相对丰度上升了3.6～34.2百分点；子囊菌门的相对丰度降低了1.8～22.7百分点，而担子菌门的相对丰度上升了1.8～21.5百分点，表明微酸性电解水可使致病菌等有害菌的相对丰度减少，而使有益菌的相对丰度增加。     

施用城市污泥堆肥对土壤微生物群落结构变化的影响简

在温室条件下进行了15周的盆栽实验，考察了施用城市污泥堆肥后，土壤中养分含量的变化规律，重点研究了施用城市污泥堆肥对土壤微生物群落结构变化的影响。实验发现，污泥堆肥能改善土壤养分，有机质和氮、磷含量得到显著提高。经PCR-DGGE分析，施肥1周后土壤中细菌和真菌的群落结构均发生了较大的变化。随着施肥时间的延长，细菌在富含有机质及氮、磷等养分的土壤环境下大量生长，多样性提高，其优势菌群属于γ变形菌、α变形菌和芽单胞菌；随着有机质的不断消耗，细菌的生长活性受到抑制，最终由于养分的缺乏，细菌种群多样性呈现小幅度的降低，优势菌群变为绿弯菌门、γ变形菌亚纲和厚壁菌门。对于真菌，其多样性指数在堆肥前3周逐渐提升，在第3~12周的监测中呈现相对稳定的变化趋势，优势菌群主要为座囊菌纲和散囊菌纲。     

施用城市污泥堆肥对土壤微生物群落结构变化的影响

在温室条件下进行了15周的盆栽实验，考察了施用城市污泥堆肥后，土壤中养分含量的变化规律，重点研究了施用城市污泥堆肥对土壤微生物群落结构变化的影响。实验发现，污泥堆肥能改善土壤养分，有机质和氮、磷含量得到显著提高。经PCR—DGGE分析，施肥1周后土壤中细菌和真菌的群落结构均发生了较大的变化。随着施肥时间的延长，细菌在富含有机质及氮、磷等养分的土壤环境下大量生长，多样性提高，其优势菌群属于γ变形菌、α变形菌和芽单胞菌；随着有机质的不断消耗，细菌的生长活性受到抑制，最终由于养分的缺乏，细菌种群多样性呈现小幅度的降低，优势菌群变为绿弯菌门、γ变形菌亚纲和厚壁菌门。对于真菌，其多样性指数在堆肥前3周逐渐提升，在第3～12周的监测中呈现相对稳定的变化趋势，优势菌群主要为座囊菌纲和散囊菌纲。     

石河子市春季大气颗粒物TSP和PM_(10)中微生物群落特征

近来,有研究指出颗粒物中携带导致人类过敏、呼吸系统疾病或其他类疾病的微生物,其对公众健康的影响因为研究较少而一直被低估。采用16S rDNA、18S rDNA测序方法对石河子市2015年春季TSP和PM_(10)污染物中细菌、真菌的群落结构特征进行研究。结果表明:在门的水平上,变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是石河子市春季TSP和PM_(10)中细菌的主要菌群,子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)是真菌的主要菌群。在属水平上,马赛菌属(Massilia)和不动杆菌属(Acinetobacter)在16S rDNA测序结果分析中相对含量较多,格孢腔菌属(Pleospora)和Penidiella在18S r DNA测序结果分析中相对丰度较高,仍然发现了一些可能导致人类及植物患病的菌属,期望此研究结果为人类生活提供参考。     

超声波-缺氧／好氧污泥消化反应器中氨氧化细菌群落结构的演变

为了揭示超声波-缺氧／好氧污泥消化反应器中氨氧化细菌群落结构多样性的演变过程，采用变性梯度凝胶技术（PCR—DGGE）研究不同运行时期氨氧化细菌群落结构的变化。DGGE分析表明，反应器中氨氧化细菌群落比较丰富。在反应器运行的不同时期，氨氧化细菌的群落结构发生了一定的变化，反映了种群的动态演变。UPGMA聚类分析将DGGE图谱分为3大类群并对应于各自的运行时期。测序结果表明，反应器中的优势种群属于变形菌门（Proteobacteria），包括α-proteobacteria，β-proteobacteria，γ-proteobacteria和ε-proteobacteria4个纲，其中β-proteobacteria占45％，γ-proteobacteria占40％。在始终保持明显优势地位的种属中，5株为反硝化细菌，它们对提高反应器脱氮效率具有重要作用。     

碳氮比对不同滤料反硝化滤池脱氮效果的影响

以乙酸钠为碳源,分别考察了以石英砂和生物陶粒为滤料的2种反硝化滤池在不同C/N比条件下的脱氮效果,并对生物膜量和微生物种群进行了分析。结果表明:2种滤池对硝酸盐和TN都有较好的去除效果,且生物陶粒滤池要明显优于石英砂滤池;从经济性考虑,C/N比为4时的碳源投加量是最佳的,此时石英砂池和生物陶粒池出水TN平均浓度分别低于10 mg·L~(-1)和5 mg·L~(-1),亚硝酸盐含量在0.5 mg·L~(-1)以下。2柱的生物膜量沿着水流方向都逐渐减少,且生物陶粒池的生物膜量明显高于石英砂池。高通量测序结果表明,2滤池系统的物种多样性相差不大,在门的分类水平上,2个系统的主要优势菌群都属于Proteobacteria(变形菌门),含量在94%以上;在属的分类水平上,2柱的反硝化功能菌都主要是Dechloromonas(脱氯单胞菌属)和Thauera(陶厄氏菌属),但含量上存在一定差异。     

土霉素生产废水生物处理装置中微生物群落结构特征解析

抗生素对细菌具有强抑制作用,从而会影响废水生物处理系统中的微生物群落结构。在用定量PCR方法对土霉素生产废水处理装置(进水中土霉素浓度为1 662.1±248.6μg/L)中的细菌16S rRNA基因和真菌18S rRNA基因的含量进行比较的基础上,利用16S rRNA基因克隆文库方法对污泥中的细菌群落结构进行了详细解析。定量PCR结果显示,土霉素废水活性污泥中真菌(18S rRNA)/细菌(16S rRNA)基因的拷贝数比例高达1.2,明显较高于非抗生素肌苷废水活性污泥中的比例1.52×10-6,表明真菌对于土霉素废水中有机物的去除可能发挥重要作用。细菌克隆文库分析结果显示,Alpha变形菌和Beta变形菌是主要的优势菌,比例分别为23.7%和22.0%,其次是酸杆菌(17.0%)和拟杆菌(11.9%)。     

外源菌剂对餐厨垃圾和污泥联合堆肥酶活性及微生物的影响

以餐厨垃圾和污泥(质量比1∶1)混合物为底物,以不接种微生物为对照,以添加外源菌剂和腐熟堆肥为两个处理,研究外源菌剂对联合堆肥过程中酶活性和腐熟期微生物的影响。结果表明,外源菌剂可促进堆体升温并延长高温期,可显著提高纤维素酶、过氧化氢酶、脲酶、蛋白酶的活性,4种酶的峰值分别为377.294 U/g、83.107 mL/(g·h)、0.763 mg/(g·d)和147.411 U/g。采用高通量测序技术分析发现,添加外源菌剂降低了腐熟期细菌、真菌的群落多样性,但提高了真菌群落丰富度。门水平上,各堆体细菌和真菌的优势群落种类差异较小,仅相对丰度变化较大;属水平上,添加外源菌剂使堆体中优势细菌占比更均匀,优势真菌主要为土壤伊萨酵母菌(Issatchenkia)、念珠菌(Candida)、未分类真菌(Unclassified Fungi)等。采用FAPROTAX工具对细菌功能分组,各堆体相对丰度较高的功能菌以化能异养、有氧化能异养、硝酸盐还原等为主,然而添加外源菌剂和腐熟堆肥使芳香族化合物的降解功能菌相对丰度分别提高了8.0倍、7.4倍。     

采油废水厌氧处理系统的微生物群落特征

为了深入认识石油烃的厌氧降解过程,利用分子生物学技术分析了大庆油田采油废水处理系统厌氧池和进水中的微生物群落特征。基于DGGE和克隆文库的分析结果均表明,厌氧生物膜中存在的古菌源自于采油废水。厌氧生物膜和采油废水中的古菌主要是产甲烷菌,包括嗜甲基的Methanomethylovorans thermophila和利用氢和甲酸的Methanolinea tarda。值得注意的是,氢营养型的M.tarda在厌氧生物膜中得到了富集。进水和厌氧生物膜中的细菌群落结构明显不同。进水中的主要细菌类群为Epsilonproteobacteria,而生物膜中的主要类群为Nitrospira和Deltaproteobacteria。在厌氧生物膜中发现许多与产甲烷古菌(尤其是氢营养型产甲烷菌)协同降解石油烃类物质的细菌相关克隆:其中一个克隆与Syntrophus具有较高的同源性,该类菌是产甲烷菌介导的厌氧烃降解微生物区系中的关键细菌;许多Deltaproteobacteria克隆属于group TA类群,该类群细菌主要参与芳香族化合物产甲烷菌介导的厌氧降解过程。这些结果表明,在大庆油田采油废水厌氧处理系统中已经建立起由产甲烷菌所介导的厌氧石油烃降解的微生物区系。     

PCR-DGGE研究亚硝化-电化学生物反硝化全自养脱氮工艺细菌多样性

采用分子生物学手段PCR-DGGE技术对亚硝化-电化学生物反硝化全自养脱氮工艺细菌的多样性进行了研究。结果表明,亚硝化段内主要的细菌种群为相似于Nitrosomonas sp.(AJ224410)和Nitrosomonas sp.NM41(AF272421)的种群,相似性分别为97%和94%;电化学生物反硝化段细菌类群主要有β-proteobacteria类群、γ-proteobacteria类群和Chlo-roflexi类群。填料上生物膜细菌种群较底部泥水混合物丰富,两者细菌种群相似性为75%;底部泥水混合物样中存在与厌氧氨氧化菌Brocadia anammoxidans(AF375994)相似性为93%的菌种,而填料上生物膜中存在与Thioalkalivibrio sp.K90mix(EU709865)和Thiobacillus thioparus(AJ243144)相似性分别为94%、97%的菌种,其中Thiobacillus thioparus(AJ243144)是典型的硫自养反硝化菌,表明填料上生物膜中有大量的硫自养反硝化菌。     

3DBER-S阴极nirS型反硝化菌群的分析

为探究低碳氮比条件下3DBER-S(三维电极生物膜与硫自养耦合脱氮工艺)阴极反硝化菌群特征、强化脱氮机制,在TOC/TN=0.36的进水条件下稳定运行反应器,运用nir S基因克隆文库方法,分析了3DBER-S阴极生物膜反硝化菌群结构。结果表明,在3DBER-S阴极生物膜上反硝化菌中,β变形菌(β-proteobacteria)是优势菌种,占细菌总数的59.22%。其中,所占比例最大的是异养菌,包括与固氮弧菌属(Azoarcus tolulyticus)和趋磁螺菌(Magnetospirillum magneticum)类似的细菌,分别占44.74%和21.05%。能够分别利用硫单质或氢气作为电子供体进行反硝化脱氮的Sulfuricella denitrifican、高氯酸盐降解菌(Dechlorospirillum sp.)和陶厄氏菌属(Thauera)三者所占比例之和达到了17.11%。表明系统中氮的去除是由异养反硝化、氢自养反硝化和硫自养反硝化共同作用的结果,既有效减少了脱氮过程中有机碳源的消耗,又维持了系统酸碱度的平衡,从而能够在低碳氮比条件下维持稳定高效的脱氮效果。     

低温等离子体技术改性填料前后Anammox工艺运行及微生物群落变化

采用低温等离子体技术对普通聚氨酯泡沫塑料填料进行表面改性处理,研究了改性前后填料的表面特征、厌氧氨氧化生物膜量、脱氮性能、微生物群落结构及其功能微生物基因丰度的变化。结果表明:低温等离子体改性以后填料表面与蒸馏水的静态接触角减少33.27°,单点比表面积和吸附平均孔径分别由8.98 m~2·g~(-1)和3.01 nm提高至9.66 m~2·g~(-1)和4.98 nm,材料表面粗糙度增加,亲水性能明显改善;未改性单位质量填料生物膜干质量为0.18 g,改性后单位质量填料生物膜干质量为0.37 g,相同时间内单位质量填料上的生物膜量相比于填料改性前提高了53%;填料改性前后系统总氮去除率均在80%以上。高通量测序结果显示,2系统菌群结构相似,主要功能菌属是Candidatus Kuenenia,改性填料相比于未改性填料其微生物种类丰富程度更高。实时荧光定量PCR(qPCR)结果显示,改性后hzo基因相对丰度由59.50%增至73.50%,提高了14%,nxrB基因相对丰度由21.10%减至17.70%,降低了3%。由此可见,填料经改性后表面生物膜量增加,生物膜上功能微生物种类丰富性也有所增加,但在较低氮基质负荷条件下脱氮效率基本不变。     

固定化耐低温混合菌对焦化土壤多环芳烃的降解研究

研究了固定化耐低温真菌-细菌混合菌在低温环境下,对焦化厂污染土壤中的菲(Phe)和苯并[b]荧蒽(BbF)降解的动态变化,利用高通量测序技术分析了降解过程中微生物群落多样性变化。结果表明:在低温条件下固定化混合菌对土壤中Phe、BbF的去除率远高于游离混合菌与固定化单菌,在60d的降解周期下,固定化混合菌对土壤中Phe和BbF的降解率分别可达59.61%和45.24%。处理前,土壤中细菌与真菌初始Shannon多样性指数分别为2.79和0.33,细菌远高于真菌,土壤中土著微生物以细菌为主,高丰度的细菌抑制了真菌的生长代谢。处理后,细菌的Shannon多样性指数下降至1.33,真菌的Shannon多样性指数增加至1.01,Phe和BbF的降解与细菌多样性呈负相关,且细菌多样性的降低减少了其对真菌的抑制作用。对比分析了处理前后土壤中微生物群落组成的变化,结果表明:投加固定化混合菌后,固定化混合菌中的假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4和高山被孢霉(Mortierella alpina)JDR7在低温下生长代谢良好,并成为降解过程中的优势菌,其物种相对丰度分别提高至79.84%与58.63%。固定化混合菌对低温环境有良好的耐性,固定化混合菌的投加提高了菌株对多环芳烃(PAHs)的生物利用有效性,改变了土壤中微生物群落的结构和丰度,可应用于低温土壤PAHs的原位修复。     

连续流砂过滤器深度处理市政污水的中试研究

采用好氧/缺氧连续流砂过滤器中试实验研究深度处理北京某污水处理厂二级出水。实验结果表明,当连续流砂过滤器好氧段聚合氯化铝投量为20 mg/L,缺氧段碳源投量为32 mg/L时,COD、NH+4-N、TN和TP的平均去除率分别为34.77%、86.54%、66.94%和84.10%,最终出水均达到北京市新(改、扩)建城镇污水处理厂排放A标准(DB11/890-2012)。克隆文库法分析石英砂表面生物膜中的细菌群落结构表明,其优势菌群为β-proteobacteria,其中大部分能以废水中碳源为电子供体还原硝酸盐。     

2种磷酸盐生长环境对同步去除与富集磷酸盐工艺的影响

针对同步去除与富集磷酸盐溶液的问题,研究了在低磷环境和低磷高磷交替环境下悬浮填料生物膜反应器的除磷能力和释磷能力,采用扫描电子显微镜(SEM)和高通量测序对第0、45和95天的污泥进行了表征。结果表明:低磷环境下好氧出水磷酸盐浓度稳定在0.5 mg·L~(-1)以下,厌氧阶段的最大释磷量为6.05 mg·L~(-1);在低磷高磷交替环境中,好氧出水磷酸盐浓度基本在0.5 mg·L~(-1)以下,富磷溶液浓度最高可达63 mg·L~(-1)。SEM结果表明,同步去除与富集磷酸盐的悬浮填料生物膜反应器中的主要微生物是杆状菌。高通量测序结果表明:第0、45和95天的变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度分别为48.3%、57.1%和89.1%,占主导地位;而红环菌科(Rhodocyclaceae)的相对丰度分别为18.1%、19.0%和30.8%,是反应器中的优势菌科;动胶菌属(Zoogloea)是同步去除与富集磷酸盐的悬浮填料生物膜工艺中的主要功能菌。在悬浮填料生物膜工艺中,低磷高磷交替的生长环境下培养的聚磷生物膜能够使好氧出水的磷酸盐浓度达到国家排放标准,并在厌氧阶段得到高浓度的磷酸盐富集溶液,且这种生长环境更适合聚磷微生物的生长。