人工湿地生态系统中的微生物作用及PCR-DGGE技术的应用

人工湿地作为一种经济高效的污水生态处理工艺,可通过植物、微生物、基质三者的协同作用实现污染物的去除。而微生物作为湿地生态系统的重要组成部分,又是污染物去除的积极分解者,发挥了不可忽视的关键作用,其数量、丰度、多样性及群落结构等均直接影响污水净化效果。本文介绍了湿地生态系统在微生物种群结构、污染物降解机制等方面的国内外研究进展,并针对PCR-DGGE新型分子技术在湿地微生物领域的应用成果进行了探讨,以为湿地生态系统的微生物作用及新型分子技术在其中的应用提供理论支撑和技术支持。     

农业废物堆肥化中理化参数对GH6家族基因影响

采用PCR-DGGE技术,研究农业废物稻草堆肥化过程中参与纤维素降解的糖苷水解酶GH6家族基因的变化,并使用冗余分析(redundancy analysis,RDA)和蒙特卡罗置换检验(Monte Carlo permutation test)研究了生物信息矩阵与环境因子矩阵间的相关性.结果表明,8个理化参数对GH6家族基因变化影响的相对大小为:p H堆体温度TN(total nitrogen)TOM(total organic matters)C/N(TOC/TN)含水率环境温度WSC(water soluble carbon),8个理化参数共解释了83.1%的GH6家族基因变化,对GH6家族基因变化有重要影响,其中pH(P=0.002)、堆体温度(P=0.004)和TN(P=0.004)是影响GH6家族基因变化的显著因子,三者分别解释了24.92%、15.57%和15.04%的GH6家族基因变化.含GH6家族基因的优势菌种在堆体不同时期有所不同.GH6家族基因的多样性和丰度随堆肥化进程整体呈现出波动趋势.基于冗余分析的t-value分析表明3个显著因子对GH6家族基因的动态变化具有不同的正负相关性.     

基于PCR-DGGE和拟杆菌(Bacteroides)16S rRNA的岩溶地下水粪便污染来源示踪研究:以重庆南山老龙洞地下河系统为例

岩溶地下水的微生物污染日益严重,其来源的研究得到国际学术界的广泛关注.本研究以重庆南山老龙洞岩溶地下河系统为对象,采用滤膜法监测地下水中的总细菌、大肠杆菌、粪大肠菌及粪链球菌等微生物指标,以拟杆菌(Bacteriodes)为指示细菌,采用PCR-DGGE示踪地下水中大肠杆菌/粪大肠杆菌的来源.结果表明,老龙洞地下河流域各类细菌含量严重超标,总细菌数为10~2.9×10~7CFU·m L~(-1),大肠菌群总数达4.3~4.0×10~5CFU·m L~(-1),其中粪大肠菌群(FC)和粪链球菌(FS)分别最高达到1.1×10~6CFU·(100 m L)~(-1)、1.1×10~5CFU·(100 m L)~(-1);FC/FS多数为2以上,暗示流域地下水受人类粪便影响为主.地下水样和粪便样品的拟杆菌群落的PCR-DGGE比对分析表明地下水与人粪之间相似性为7.1%~69.1%,其中地下河出口处达到69.1%.地下水与猪粪之间相似性为1.1%~53.4%,地下河出口处仅为1.5%.因此,人类粪便为地下河污染的主要来源,猪粪污染为动物粪便污染的一部分,还存在其他动物粪便污染来源.此外,PCR-DGGE产物切胶测序发现大部分Bacteroides为人类肠道或粪便来源的细菌.     

不同好氧颗粒污泥中微生物群落结构特点

为了探讨活性污泥好氧颗粒化过程对微生物种群的影响、不同底物及不同颗粒化方法培养的好氧颗粒污泥中微生物群落结构的差异,以接种污泥、模拟废水好氧颗粒污泥和分别投加粉末活性炭和硅藻土的实际生活污水好氧颗粒污泥为研究对象,利用PCR-DGGE对比分析了接种污泥和好氧颗粒污泥中的微生物群落结构.结果表明:活性污泥好氧颗粒化过程会减少微生物种群多样性,影响颗粒污泥稳定性的细菌被淘汰,而聚磷菌、反硝化菌、难降解有机物降解菌等污水处理功能微生物都在颗粒化过程中得到保留.活性污泥好氧颗粒化过程中能够实现亚硝化细菌(AOB)一定程度的富集.与接种活性污泥相比,好氧颗粒污泥中AOB的多样性指数与均匀性指数均有提高.好氧颗粒污泥中的优势菌群主要分布于变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和未培养菌(uncultured bacterium).其中AOB均属于β-Proteobacteria的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).     

Cultivation of aerobic granular sludge in a conventional,continuous flow,completely mixed activated sludge system

Aerobic granules were formed in a conventional, continuous flow, completely mixed activated sludge system (CMAS). The reactor was inoculated with seed sludge containing few filaments and fed with synthetic municipal wastewater. The settling time of the sludge and the average dissolved oxygen (DO) of the reactor were 2 h and 4.2 mg·L^-1, respectively. The reactor was agitated by a stirrer, with a speed of 250 r·min^-1, to ensure good mixing．The granular sludge had good settleability, and the sludge volume index (SVI) was between 50 and 90 mL·g^-1. The laser particle analyzer showed the diameter of the granules to be between 0.18 and 1.25 mm. A scanning electron microscope (SEM) investigation revealed the predominance of sphere-like and rod-like bacteria, and only few filaments grew in the granules. The microbial community structure of the granules was also analyzed by polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE). Sequencing analysis indicated the dominant species were α, β, and γ-Proteobacteria, Bacteroidetes, and Firmicutes. The data from the study suggested that aerobic granules could form, if provided with sufficient number of filaments and high shear force. It was also observed that a high height-to-diameter ratio of the reactor and short settling time were not essential for the formation of aerobic granular sludge.     

景观人工湿地微生物群落结构的季节变化

采用PCR-DGGE技术对梦清园人工芦苇湿地不同季节的细菌群落变化进行了研究。结果表明,随着水体流动和季节更替,人工湿地中优势细菌一直在变化。测序结果显示芽孢杆菌在系统中较占优势,4个季节里都可以检测出来。恶臭假单胞菌在春夏秋3季比较有优势,而冬天枯草芽孢杆菌比较适合在该芦苇湿地中生存。经湿地处理后,水体细菌群落的多样性下降,相似性升高,部分细菌被淘汰出水体,但适应的细菌生长较快,整体细菌数量上升。对底泥的研究中,随运行时间的增加,进水口与出水口的细菌相似性分别下降,且进水口的相似性下降要明显快于出水口。     

利用PCR-DGGE技术分析乳制品中的乳酸菌

在食品发酵行业,需要一种简捷有效的方法检测发酵产品中的有益微生物.聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(Ploymerase chain reaction and denaturing gredient gel electrophoresis,PCR-DGGE)技术广泛应用于微生物生态学的研究.采用PCR-DGGE对5种含有乳酸菌的乳制品进行了菌群组成分析,并通过传统培养方法和核酸序列分析进行了验证.结果表明,所有测试样品中的活菌数量都在106～109 cfu/mL之间,通过平板培养法分离出了形态明显的杆状菌和链球状菌,对其进行16S rDNA核酸序列测定及同源性分析,将其鉴定为德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)和嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus).建立了由已知乳酸菌组成的DGGE参考阶梯(Reference ladder),可用其对相应菌株进行DGGE鉴定.用两对不同引物进行PCR-DGGE分析,除样品1外,试样中均检测到德氏乳杆菌和嗜热链球菌.对DGGE参考阶梯未能直接鉴定的样品1的电泳条带进行同收、序列分析,分别鉴定为卷曲乳杆菌(L.crispatus)和鼠李糖乳杆菌(L.rhamnosus).同时发现,引物R518-F357对嗜热链球菌模板的识别效率高于引物Lac1GC-HDA2.以上结果表明,RCRDGGE技术可以对样品中的乳酸菌进行快速的分析和鉴定.图4表1参30     

添加不同营养助剂对石油污染土壤生物修复的影响

实验室条件下研究NPK复合肥、诺沃肥和腐殖酸三种物质不同配比添加对石油污染土壤的生物修复效果.在60d的修复实验中,定期取样测定土壤含油量、总异养菌数、石油烃降解菌数和脱氢酶活性,并采用PCR-DGGE技术研究修复过程中微生物多样性变化.结果表明,NPK肥的添加和NPK肥-诺沃肥-腐殖酸复合添加能够提高土壤中微生物的数量、微生物多样性和脱氢酶活性.在含油量为84600mg.kg-1的土壤中,添加营养助剂的处理60d后石油烃降解率为31.3%—39.5%,不添加营养助剂的石油烃降解率仅为3.5%.NPK肥-诺沃肥-腐殖酸复合添加对石油烃的降解率要高于NPK肥的单独添加(高8%),其原因可能是诺沃肥-腐殖酸能够有效提高土著微生物的活性,增加微生物的多样性,增强石油烃的降解.     

烟区轮作与连作土壤细菌群落多样性比较

采用从土壤中直接提取土壤细菌总DNA,并用细菌16SrDNA特异性引物进行PCR扩增和变性梯度凝胶电泳（DGGE）的方法,对比研究了贵州福泉烟区轮作和连作对土壤细菌群落多样性的影响,每个处理样品3次重复在DGGE图谱中相似性较高,基本聚在一起,从整体证明了试验操作方法较为精确。由DGGE图谱可知,轮作土壤微生物条带数量15-31条不等,平均为23条。连作土壤微生物条带数量从7-25条不等,平均为18条。分别从每条泳道的条带数和光密度值两方面,对细菌群落多样性指标进行了比较。结果表明,轮作处理细菌群落丰富度指数均大于连作处理,轮作Shannon-wiener和辛普森指数（1/D）均大于连作,表明轮作微生物多样性较连作高,轮作方式可以提高植烟土壤细菌群落的多样性。     

应用PCR-DGGE分析三江湿地土壤真菌群落结构的多样性

采用PCR-DGGE技术,研究毛苔草湿地土壤、小叶章湿地土壤(氮肥施用量分别为0、20、40和60 kg/hm2)和岛状林湿地土壤在生长期(2010年7月和2011年6月)和凋落期(2010年10月)的真菌群落结构变化规律. 结果表明:湿地植物生长期和凋落期真菌群落结构差异显著;退化程度较高的岛状林湿地土壤真菌群落的多样性指数最高,2010年7月、10月和2011年6月多样性指数分别为3.22、3.25和3.21;在小叶章湿地土壤中添加氮肥20～40 kg/hm2,2010年7月、10月和2011年6月湿地土壤真菌群落的多样性指数分别升至0.27、0.15和0.05. 对湿地土壤真菌18S rDNA基因测序分析可知,三江湿地土壤真菌类群主要包括外囊菌纲(Taphrinomycetes)、座囊菌纲(Dothideomycetes)和锤舌菌纲(Leotiomycetes),其中锤舌菌纲是该湿地主要的土壤真菌类群.