天然水体基于分子生物学的微生物生态学研究

我国天然水体富营养化严重,水体生态系统已失去平衡。作为水生态系统中分解者的微生物,对于水体自净和修复发挥着极其重要的作用,因而了解微生物群落的组成和其动态变化、以及与水环境之间的相互关系对开展水环境生物修复研究是非常必要的。随着生物技术的发展,分子生物学技术被广泛应用于微生物生态学研究。文章主要介绍了分子生物学技术在天然水体微生物生态学中的应用以及天然水体中环境因子与微生物群落的关系。DGGE和TRFLP技术由于具有操作方便、可同时处理大量样品、系统性和有效性强等优点,因而被较多地应用于天然水体中微生物群落结构研究。微生物群落结构及其变化与许多因素有关,包括温度、光照、DO、pH、氮、磷、有机物等,对于不同种类的微生物,各因素的影响效果也有所不同。     

城市污水处理系统真核微生物群落特性与地域性差异

城市污水处理厂是控制水污染、保证城市与人类可持续发展的重要设施.真核微生物作为活性污泥系统中不可或缺的一部分,在指示活性污泥性质、预测出水水质、强化净化效果、保障系统稳定运行过程中发挥着重要作用.本研究以来自北京、深圳和无锡的14个城市污水处理厂的61份样品为研究对象,采用18S r DNA高通量测序技术并结合多种生态学及统计学相关分析方法,探讨了活性污泥系统内真核微生物群落特性与地域性差异.结果表明,不同空间尺度下,活性污泥系统内真核微生物群落优势种群组成相似,在Devision水平上,群落优势种群主要由真菌、原生动物(纤毛亚门)和后生动物组成,三者相对丰度之和高达86. 22%～89. 40%.不同城市污水处理厂活性污泥系统内真核微生物多样性存在差异,无锡群落的多样性(丰富度和香农-威纳多样性指数)最高,北京的最低,且3个城市的活性污泥系统内真核微生物群落结构存在显著的地域性差异. partial mantel test和多元回归矩阵分析结果表明,曝气池混合液温度和出水总氮浓度与活性污泥系统内真核微生物群落结构的相关性较强.研究结果深化了对污水处理系统中真核微生物的认识.     

高原高寒污水处理系统的微生物群落特征

为研究高原高寒污水处理系统活性污泥的微生物群落结构及多样性,以拉萨、云南、四川的3座高原污水厂作为实验组,同时以重庆2座非高原污水厂作为对照,采用PCR-DGGE技术对比分析了高原与非高原污水厂的微生物特性.研究表明：高原污水厂样品与非高原样品在聚类中展现出了较为疏远的关系,微生物群落区别明显.受强紫外线辐照的抑制,高原高寒污水处理系统微生物多样性的平均水平显著低于非高原污水厂,较低的微生物多样性是导致高原高寒地区污染物去除效果不佳的一项重要原因.群落构成方面,共鉴定出16个优势菌属,对应Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Verrucomicrobia 4个门.组间差异分析结果发现,高原组中丰度显著偏高的菌属只有Prosthecobacter,该菌在污水厂内分布广泛,且能够适应高原低温的条件.对于大多数活性污泥微生物而言,高原强紫外线是不利的生存条件.因此,减少高原露天污水处理系统的紫外辐照,是提升污水处理效能的一个潜在措施.     

铁矿石和生物炭添加对潜流人工湿地污水处理效果和温室气体排放及微生物群落的影响

人工湿地中基质的种类和填充方式会影响人工湿地中微生物的多样性及丰度,进而影响污水处理效果.通过在温室内构建空白-人工湿地(CW0)、铁矿石-人工湿地(CW1)、生物炭-人工湿地(CW2)和铁矿石+生物炭-人工湿地(CW3)这4组湿地,研究不同填料人工湿地系统的污水处理效果和温室气体排放及微生物群落结构的差异.结果表明,...     

分子生物学技术在污水处理微生物检测中的应用

对现代分子生物学技术在污水生物处理系统微生物检测和群落分析中的应用进行了系统总结,重点对应用较多的PCR技术、FLSH技术进行了介绍并对其优缺点进行了探讨.通过对生物处理系统中微生物检测和生态学研究,可以分析确定系统中功能微生物的数量,群体结构和活性,从而实现构建人工强化生态系统,提高废水生物处理效率的目的.分析认为,以DNA序列和相关的结构基因为基础的分子生物学技术已经在污水生物处理系统的种群分析方面得到了广泛和成功的应用,而且必将会对深入认识和优化污水生物处理过程,加快新工艺的开发和应用以及强化处理工艺的过程控制方面起到更大的作用.     

模拟动静水条件对水工混凝土表面生物膜微生物群落的影响

水利工程是社会发展的重要基础设施,作为其重要组成部分的水工混凝土构筑物在长期运行下会受到微生物腐蚀作用,造成不同程度的结构损伤,影响其安全运行,因此对水工构筑物表面细菌群落结构及功能的解析具有重要的科学和工程意义。以水工混凝土构筑物表面微生物群落为研究对象,阐述动静水条件下微生物群落组成分布及演替特征,探究表面微生物群落结构组成与环境因素之间的相关关系。结果表明:1）混凝土质量损失主要由水动力条件和微生物作用共同导致,其中微生物作用更为显著;2）相比于静水条件,动水条件未显著影响水工混凝土表面微生物群落的分布特征;3）动水条件下混凝土表面微生物群落在更短的时间内趋于稳定,由此推断模拟动水环境中水工混凝土将更早地遭受微生物腐蚀作用。研究对水利工程设施的安全运行具有积极的理论和工程意义。     

潮汐流-潜流组合人工湿地微生物群落多样性研究

为研究潮汐流-潜流人工湿地组合的微生物群落空间分布,构建了潮汐流-潜流湿地组合实验装置对人工模拟生活污水进行净化处理,采用PCR-DGGE技术对组合工艺实验装置中微生物空间分布特征进行研究.结果表明,种植植物(香蒲)的人工湿地组合NH_4~+-N、NO_3~--N和NO_2~--N去除率分别为70.22%、28.42%和38.30%,未种植植物的人工湿地组合NH_4~+-N、NO_3~--N和NO_2~--N去除率分别为55.15%、65.26%和61.70%.两组湿地内优势微生物种类共有44种,潮汐流单元微生物种类空间分布差异性较小,系统内多为好氧微生物.潜流人工湿地单元微生物空间分布差异较大,上层以好氧微生物为主,中下层以缺氧和厌氧微生物为主.种植植物可以提高湿地系统中微生物量、微生物群落多样性和均匀性.潮汐流-潜流组合工艺在系统内实现了硝化-反硝化的组合,比一般的潜流和表面流人工湿地组合TN去除率提高了20%~30%.     

铜尾矿库坝面土壤微生物群落动态的驱动因子

随机过程和确定性过程对群落动态的影响机制及重要性是群落生态学研究的中心课题,也是目前群落生态学最具争议的问题.微生物群落在生态系统物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用,对其结构动态的研究不仅为阐明群落构建机制提供重要的数据支持,而且为预测环境胁迫条件下微生物群落结构的动态提供理论依据.本研究通过Illumina MiSeq测序的方法,分析了中条山十八河尾矿库坝面不同恢复阶段细菌和真菌群落结构特征.结果表明,研究区尾矿坝不同恢复年限土壤理化性质发生梯度变化,植物群落结构呈现一定的演替趋势,植物群落多样性与土壤养分显著相关,而与土壤重金属含量无相关性.不同恢复年限的土壤微生物群落结构具有显著差异,其中优势细菌主要有变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、酸杆菌门（Acidobacteria）;优势真菌主要有子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）、接合菌门（Zygomycota）.微生物群落组成主要受到土壤养分和重金属含量的影响,而植物多样性对微生物群落结构的影响不明显,表明在局域小尺度环境胁迫条件下,土壤环境因子是微生物群落结构动态变化的主要驱动力.     

基于人工湿地系统中的微生物研究

人工湿地中微生物的活动是污水中污染物降解的主要因素。本文介绍了人工湿地系统中微生物的研究进展,从微生物在人工湿地中的多样性、分布规律、酶及其活性、湿地净化作用与微生物的相关性、以及研究方法等方面进行了论述。为优化微生物群落结构和强化人工湿地功能提供理论指导。     

土壤微生物对环境胁迫的响应机制

微生物在生态系统物质循环和能量流动过程中起重要作用.研究土壤微生物对各种环境胁迫的响应有助于认识微生物对环境变化的适应与演变机理,维持土壤生态系统功能的稳定.土壤微生物群落多样性是衡量土壤生态系统稳定性的一个重要指标.多数研究表明,土壤微生物群落多样性越高,土壤生态系统越稳定.本文在总结土壤微生物群落多样性及其与环境胁迫响应关系的基础上,进一步讨论了土壤微生物对环境胁迫响应的生态学机制,包括:①抗性微生物的出现及抗性基因的水平转移.该过程导致了土壤微生物群落结构和多样性的改变,产生了更多抵抗能力较强的微生物类群,从而达到对外源干扰的适应,使土壤微生物群落对环境胁迫的抵抗力和恢复力随之提高.②土壤微生物群落功能的冗余.这些冗余程度越高,冗余组分缓冲维持生态系统正常功能的能力越强,从而提高微生物群落对环境胁迫的抵抗力和恢复力.研究土壤生态系统的稳定性与微生物多样性之间的关系,不仅有助于揭示土壤生态系统稳定性的内在机制,为合理调控提供科学依据,也可以为土壤环境质量管理提供参考.     

SSCP技术分析不同废水处理系统中微生物群落结构

为研究不同废水处理系统中微生物群落结构以及认识群落结构与系统处理效能的关系,采用单链构象多态性技术(SSCP)分别对稳定运行的脱氮除磷反应器(N),中药废水处理反应器(P),啤酒废水处理反应器(W),糖蜜废水发酵制氢反应器(H)以及硫酸盐还原反应器(S)等5种废水处理系统中的微生物群落结构进行了解析.结果表明,处理同种废水且状态均一的反应器中微生物群落结构相似性最大;微生物种群多样性与废水中的有机质复杂性成正相关,中药废水由于含有较复杂的有机质成分,种群多样性最高,而人工配水的处理系统由于营养成分单一,种群多样性较低;与模式群落中微生物SSCP条带比较显示,某些功能微生物类群在整个系统中相对数量并非占优势,发酵产氢菌Ethanologenbacterium sp.在状态良好的制氢反应器中相对含量仅占5%,而脱硫弧菌Desulfovibrio sp.在硫酸盐还原反应器中的相对比例小于1.5%.SSCP指纹图谱技术能够揭示不同处理系统中微生物群落结构的差别,并对这些工艺中的部分功能微生物进行监测,进而为提高反应器的运行效果提供有益的指导.     

Microbial community structure in different wastewater treatment processes characterized by single-strand conformation polymorphism (SSCP) technique

In order to investigate microbial community structures in different wastewater treatment processes and understand the relationship between the structures and the status of processes, the microbial community diversity, variety and distribution in five wastewater treatment processes were studied by a culture-independent genetic fingerprinting technique single-strand conformation polymorphism (SSCP). The five processes included denitrifying and phosphate-removal system (diminished N), Chinese traditional medicine wastewater treatment system (P), beer wastewater treatment system (W), fermentative biohydrogen-producing system (H), and sulfate-reduction system (S). The results indicated that the microbial community profiles in the wastewater bioreactors with the uniform status were very similar. The diversity of microbial populations was correlated with the complexity of organic contaminants in wastewater. Chinese traditional medicine wastewater contained more complex organic components; hence, the population diversity was higher than that of simple nutrient bioreactors fed with molasses wastewater. Compared with the strain bands in a simulated community, the relative proportion of some functional microbial populations in bioreactors was not dominant. Fermentative biohydrogen producer Ethanoligenens harbinense in the better condition bioreactor had only a 5% band density, and the Desulfovibrio sp. in the sulfate-reducing bioreactor had less than 1.5% band density. The SSCP profiles could identify the difference in microbial community structures in wastewater treatment processes, monitor some of the functional microbes in these processes, and consequently provide useful guidance for improving their efficiency. __________ Translated from Environmental Science, 2006, 27(7): 1,429–1,433 [译自: 环境科学]     

Drivers of microbial beta-diversity in wastewater treatment plants in China

As one of the most well-documented biogeographic patterns, the distance-decay relationship provides insights into the underlying mechanisms driving biodiversity distribution. Although wastewater treatment plants (WWTPs) are well-controlled engineered ecosystems, this pattern has been seen among microbial communities in activated sludge (AS). However, little is known about the relative importance of environmental heterogeneity and dispersal limitation in shaping AS microbial community across China; especially they are related to spatial scale and organism types. Here, we assessed the distance-decay relationship based on different spatial scales and microbial phylogenetic groups by analyzing 132 activated sludge (AS) samples across China comprising 3,379,200 16S rRNA sequences. Our results indicated that the drivers of distance-decay pattern in China were scale-dependent. Microbial biogeographic patterns in WWTPs were mainly driven by dispersal limitation at both local and national scales. In contrast, conductivity, SRT, and pH played dominant roles in shaping AS microbial community compositions at the regional scale. Turnover rates and the drivers of beta-diversity also varied with microorganism populations. Moreover, a quantitative relationship between dispersal limitation ratio and AS microbial turnover rate was generated. Collectively, these results highlighted the importance of considering multiple spatial scales and micro-organism types for understanding microbial biogeography in WWTPs and provided new insights into predicting variations in AS community structure in response to environmental disturbance.     

金属硫化物矿山水系统中微生物群落组成及多样性

为探索矿山水系统中因采矿活动引起的重金属污染特征和理化性质,以及微生物群落对不同污染水平生境的响应,以中国安徽铜陵狮子山矿区水系统(采矿区废水、堆矿区渗流水、选矿区废水、矿山渗透水和生活池塘水等)为研究对象,通过对水体的理化性质及重金属污染特征分析,并利用Illumina HiSeq 2500测序技术对不同类型废水中微生物群落组成丰度及结构多样性进行了研究,探讨了矿山废水污染特征与微生物群落结构和多样性的相关性.结果表明,水体pH在采矿区(MW1、 MW2)、堆矿区(HW)和选矿区(DW)呈强酸性,矿山水体污染主要来自于采矿活动.不同功能类型废水中微生物群落结构差异显著,其中重金属污染最重的DW的微生物群落多样性和丰度均比其他4个区域弱.高通量测序得到门水平上15门细菌和3门古菌,其中优势细菌群为Proteobacteria、 Bacteroidetes、 Nitrospirae和OD1,优势古菌为Euryarchaeota.PCoA分析表明相似的水体类型的样本聚类相似.相关性热图和典型相关分析(CCA)得到该区域矿山废水中的微生物群落主要受到了pH、电导率(EC)、 SO_4...     

机器学习方法在污水处理系统中的应用

由于污水处理系统一般较为复杂且受外界因素影响较多,对其进行精准调控一直是环境领域的难题之一。传统方法无法满足日益复杂的工程项目需求。近年来发展起来的机器学习方法为此类问题提供了一系列有效的解决方案。介绍了人工神经网络、支持向量机、随机森林等机器学习方法的特点,并从水质预测预警、污水处理系统故障诊断和智能控制3个方面阐述了机器学习方法在污水处理领域的应用,分析了机器学习方法相较于传统方法的优势及其应用于污水处理系统中存在的问题,展望了机器学习方法未来在污水处理领域应用的前景和趋势。     

螺旋霉素废水处理过程中菌群结构、水质特征及抗性基因之间关系分析

抗生素制药废水常含有大量抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）,传播抗性污染的风险高于城市污水,但目前人们对抗生素制药废水处理过程中ARG转归影响机制研究尚有不足.本研究采用高通量测序考察某螺旋霉素制药废水厂A²O工艺过程中菌群结构变化,并通过多种统计学分析方法考察菌群结构、水质特征及ARG之间的相互关系.结果表明,生物处理单元中污泥的菌群结构受进水水质影响较小,其中厌氧和缺氧池中均以产甲烷菌与硫酸盐还原菌为优势菌,好氧池和二沉池中优势菌群的功能较为复杂;A²O系统对常规污染物去除效果较好,但不能稳定削减潜在致病菌丰度.水质特征、菌群结构和ARG之间存在显著相互影响关系,其中废水处理过程中生物量、NH₄⁺-N和化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）与ARG和可移动遗传元件（mobile genetic elements,MGE）的分布密切相关.在水相和泥相中对ARG和MGE产生显著影响的菌属不同,而且泥相中有更多的潜在致病菌与ARG显著相关性,即污泥中微生物同时获得耐药性和致病性的可能性比水相中高.本研究可为今后抗生素制药废水处理过程的抗性污染控制提供科学参考.     

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.     

市政污泥接种焦化废水好氧降解能力及微生物群落演替的响应分析

焦化废水是毒性很大的典型工业废水,生物处理过程中需要微生物具备很强的适应能力.以探讨焦化废水对微生物的毒性抑制以及微生物对焦化废水的适应过程为目的,通过于焦化废水原水中接种市政污泥,在考察COD、苯酚、氨氮和硫氰化物等主要污染物指标降解的基础上,运用Illumina高通量测序平台分析降解过程微生物群落组成及多样性变化的响应关系.结果表明,接种了市政污泥的焦化废水培养16 h后COD开始下降,40 h时苯酚降解了97.14%,72 h时硫氰化物开始降解,96 h时硫氰化物浓度低于检测限,氨氮浓度随着硫氰化物的降解而升高.群落测序分析表明,不同培养阶段污泥中微生物表现出群落结构及丰度上的差异:在苯酚降解阶段,苯酚优势降解菌Acinetobacter、Pseudomonas的丰度增大,48 h总相对丰度为13.04%;在硫氰化物降解阶段,Sphingobacterium、Brevundimonas、Lysobacter、Chryseobacterium为主导菌属,96 h时其总相对丰度为16.13%;在144 h阶段,优势菌属则变为Fluviicola、Stenotrophomonas和Thiobacillus,总相对丰度为22.45%.由此认为,市政污泥克服了焦化废水中毒性成分的抑制作用之后能迅速适应环境,表现出微生物群落结构随着废水降解成分的变化而改变,环境因子和降解功能菌之间的竞争是群落结构演变的主要因素.