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 .     

饮用水处理中不同来源生物活性炭微生物群落多样性和结构研究

通过限制性片段长度多态性技术考察了饮用水深度处理中5种不同来源生物活性炭的微生物群落多样性和结构.单宁酸与腐殖酸吸附值相对较高的A炭、B炭和C炭的多样性指数较为接近,其微生物多样性更为丰富,而单宁酸与腐殖酸吸附值相对较低的D炭、E炭多样性指数较低.生物活性炭样品的系统发育树中包含β-Proteobacteria、α-Proteobacteria、Planctomycetes、γ-Proteobacteria、Bacteroidetes等5类种群.其中β-Proteobacteria和α-Proteobacteria是微生物群落的优势种群,对水中有机物的去除起到重要的作用.Planctomycetes、γ-Proteobacteria和Bacteroidetes是微生物群落的非优势种群.Bacteroidetes出现在A炭、B炭、C炭和D炭中,而没有出现在E炭中.研究结果进一步加深了对生物活性炭中微生物群落的认识,为确保饮用水质安全提供理论基础.     

内循环UASB中微生物群落多样性分析研究

应用聚合酶链式反应(polymerase chajn reaction,PCR)结合变形梯度凝胶电泳(denature gadient gel elecophoresis,DGGE)技术对内循环UASB反应器内活性污泥的微生物多样性进行分析。通过OMEGA试剂盒的方式提取活性污泥中微生物的基因组DNA,以细菌通用引物进行16S rDNA基因V3高变异区域PCR扩增,再将PCR产物(约200bp)进行变性梯度凝胶电泳分离(变形梯度为30%⁶0%),从而获得表征污泥样中微生物群落特征的DNA指纹图谱。借助Quantity One软件对不同污泥样进行多样性分析。研究表明,内循环UASB反应器内不同取样口取得的活性污泥虽有着共同的和不同的微生物种属,但DGGE图谱中多为共同带,少有特征带,污泥样品间的相似性很高、微生物群落多样性基本一致。反应器内污泥混合均匀、微生物种类丰富,反应器运行稳定且有很强的抗冲击能力。     

生物造粒流化床污水处理反应器中微生物生长比较分析

利用传统细菌计数方法及分子生物学方法对新近发展起来的生物造粒流化床反应器与A2/O工艺的微生物特性进行比较研究.反应器中好氧菌、反硝化菌及反硫化菌的计数结果显示,单位质量的活性污泥中,生物造粒流化床中好氧菌的分布数是A2/O工艺好氧区的1～2倍,反硝化菌总数介于A2/O工艺的好氧区和缺氧区之间,而反硫化菌的总数介于A2/O工艺的缺氧区和厌氧区之间.用PCR-DGGE技术对生物造粒流化床反应器及A2/O工艺中的微生物进行多样性分析,结果显示,生物造粒流化床反应器的微生物群落比A2/O工艺丰富;DGGE指纹图谱聚类分析表明,生物造粒流化床反应器与A2/O工艺的微生物群落相似性为57.6%.     

复合垂直流人工湿地污染物去除及微生物群落结构的PCR-DGGE分析

采用复合垂直流人工湿地净化富营养化景观水,考察了湿地系统中ρ(COD_Cr),ρ(TN),ρ(NH₄+-N),ρ(TP)和ρ(DO)以及pH的沿程变化,并采用PCR-DGGE技术分析了湿地系统中微生物群落结构垂直分布及组成的多样性. 结果表明:从下行池到上行池,ρ(COD_Cr),ρ(TN),ρ(NH₄+-N),ρ(TP),ρ(DO)和pH沿水流方向逐渐下降,上行池末端出水ρ(DO)略有回升,污染物的去除主要发生在下行池;由于湿地系统中环境条件和营养水平的变化,在湿地系统的不同位置微生物种群存在共同种属和各自的特异种属;下行池表层微生物多样性指数最高,上行池各样品间的相似性较好. 从下行池到上行池,微生物群落的多样性降低,群落结构间的相似性逐渐增大. 植物供氧、残体累积以及根际效应有助于提高湿地表层微生物的多样性.      

进水氨氮浓度对强化生物除磷(EBPR)系统除磷特性及微生物群落结构的影响

以富集聚磷菌的活性污泥为基础,研究了不同进水氨氮浓度对强化生物除磷(EBPR)系统的除磷效果、微生物胞内聚合物(PHA)代谢过程及微生物群落结构的影响.结果表明,SBR反应器运行6 d后,进水氨氮浓度为1、5、10、15和20 mg·L-1的系统除磷效率最终分别稳定在0、4%、80%、98%和65%左右.试验前后各系统...     

堆肥化过程中微生物群落的动态

通过变性梯度凝胶电泳（DGGE）和平板计数法对堆肥化过程中微生物的区系动态变化进行了研究.结果表明,在堆肥化过程中,微生物数量总的趋势是细菌的数量最多,放线菌次之,真菌的数量最少,中温微生物的数量始终高于高温微生物.当发酵结束后,中温微生物的数量低于发酵初始水平,高温放线菌和高温真菌的数量试验结束后高于初始水平,高温细菌的数量在整个堆肥化过程中变化不大.通过DGGE分析表明,发酵过程中细菌的种类发生了明显的更迭现象.发酵初期Bdellovibrio、Clostridia bacterium、Bacillus、Clostridium等占优势,中期Beta proteobacterium、Petrobacter succinimandens、Nitrospirae bacterium、Clostridium等占优势,后期Clostridium、Beta proteobacterium、Paenibacillus等占优势,而在整个堆肥化过程中Clostridium都是优势种.     

农业废物好氧堆肥过程因子对细菌群落结构的影响

采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究了农业废物堆肥过程中细菌种群随时间的变化.同时,应用Quantity One2.0和Canoco4.5软件对获得的堆肥细菌种群数据与堆肥过程因子:环境温度、堆体温度、pH、含水率、水溶性有机碳(WSC)、C/N、水溶性氨氮(NH4+-N)和硝氮(NO3--N)进行冗余分析,并做出样点、种群与堆肥过程因子的二维排序图.结果表明,细菌群落(样点)以堆肥过程因子为梯度大体可划分为升温期(1～2d)、高温期(3～11d)、降温期(12～18d)和腐熟期(19～36d)4个阶段,每一阶段均有对应种群存在.不同的堆肥过程因子对细菌种群的影响大小依次为:NO3--N堆体温度WSCC/NNH4+-N含水率pH环境温度,其中,堆体温度、WSC、NO3--N、NH4+-N对细菌种群的影响极显著(p0.01),C/N、pH对细菌种群的影响显著(p0.05),含水率、环境温度对细菌种群的影响不显著.     

黄河三角洲北部互花米草盐沼湿地区与贝壳沉积区微生物群落的DGGE分析

采用PCR-DGGE分子指纹图谱比较黄河三角洲北部互花米草盐沼湿地区与贝壳沉积区的微生物群落结构,对DGGE图谱中10个主条带进行切胶、扩增和测序.结果表明,贝壳沉积区微生物的种类相比较健康的米草区更丰富,贝壳沉积区独有的条带,菌群属于厚壁菌门(Firmicutes)链球菌科(Streptococcaceae)乳球菌属...     

不同植被群落表层土壤中细菌群落多样性

对3种不同植被群落(海桐、雪松、桂花)表层土壤中的pH、w(TOC)、w(TN)和w(TP)进行了测定,采用DGGE(变性梯度凝胶电泳)方法对各植被群落表层土壤细菌的16S rDNA V3~V6可变区扩增片段进行了分析,利用分析得到的图谱数据与表层土壤中的pH、w(TOC)、w(TN)和w(TP)进行了群落-理化因子相关性分析以及CCA(典范对应分析). 结果表明,不同植被群落表层土壤的pH和养分含量不同,其中w(TOC)和w(TN)的差异显著(P<0.05),而pH和w(TP)的差异不显著(P>0.05). DGGE图谱分析结果揭示,不同植被群落表层土壤的细菌群落结构明显不同. 聚类分析显示,海桐和雪松的细菌群落组成和结构最为相似(82%),而它们与桂花样地的相似性(55%)相对较低,桂花样地的Shannon-Wiener指数最高且与其他2个样地差异显著,雪松样地的均匀度指数最高. 相关性分析和CCA结果进一步表明,w(TOC)和w(TN)是表层土壤细菌群落结构和多样性的显著影响因素,并且植被群落可能通过其根系分泌物产生间接影响.      

EDTA对生物转鼓的NO废气净化效率的影响

生物转鼓过滤器(Rotating Drum Biofilter,RDB)是一种能有效净化氮氧化物废气的新型生物反应器,但在之前的实验发现,由于NO在液相中的低溶解度降低了NO在RDB中的传质效果,从而影响其去除效率。改善气液传质速率是整个反硝化降解NO过程的关键步骤,实验用CuⅡ(EDTA)、ZnⅡ(EDTA)、MgⅡ(EDTA)和FeⅡ(EDTA)等络合剂添加到营养液中,利用NO能与络合剂结合的原理,使得NO能快速溶于液相,从而使NO去除效率由原来平均85%提高到98%。     

络合协同RDB处理NO_x系统中1株反硝化菌的分离鉴定

从处理效率稳定在85%的NOx废气络合处理系统--生物转鼓(rotating drum biofilter,RDB)中分离到1株异养型兼氧反硝化细菌,命名为菌株ND1.理化分析表明,ND1为革兰氏染色阴性杆菌,在培养基上可形成特征性干燥、皱缩样菌落,黏附于琼脂表面,并产生黄色色素,以单极生鞭毛运动.其16S rDNA基因序列与典型的反硝化菌Pseudomonas stutzeri具有97%的相似性,综合其外部形态特征、生理生化特征、Biolog碳源利用特性以及16S rDNA系统发育学分析,ND1鉴定为Pseudomonasstutzeri.在30℃,pH7.2的培养条件下,以琥珀酸钠为碳源,5d后该菌对硝酸根离子的去除率可以达到100%,对相同浓度的亚硝酸根离子的去除率达到85%.     

基于高通量测序的流化床生物滤器细菌群落结构分析

为了解流化床生物滤器内部细菌群落组成及其净水机制,通过高通量测序方法,研究了不同时期滤器中表层和底层滤料的细菌群落结构,分析了滤器不同床层的营养盐变化情况及水处理性能.结果表明,滤器的硝化作用主要发生于床层下部,表层对其的贡献率不显著.稳定工况下,流化床生物滤器对NH_4~+-N、TN、BOD_5和SS的去除率达到(68.3±2.24)%、(49.54±3.56)%、(60.35±4.98)%和(45.21±2.11)%,对氨氮的去除负荷达到(343.28±75.5)g·(m~3·d)~(-1),其硝化性能优于常规生物滤器.试验共筛选31个门,490个细菌属,其生物多样性显著高于常规生物滤器.自清洗装置的启停对滤器中不同区域载体表面细菌的多样性没有影响,对各样品的优势菌群略有影响.在滤器稳定运行时,表层区域的优势细菌基本维持不变,主要包括厌氧绳菌科、黄杆菌科、红杆菌科、硝化螺菌属、暖绳菌科.而底层区域的优势细菌随着时间的推移有所变化,主要包括硝化螺菌属、微丝菌属、Muricauda、Defluviimonas、红杆菌科.     

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.     

MUCT-MBR工艺反硝化除磷脱氮研究

自行设计的双反应器MUCT-MBR简化了MUCT工艺,将反应池由5个简化到2个,减小了工艺占地面积,并且采用膜过滤取代二沉池出水,操作简单,出水安全可靠.针对MUCT-MBR工艺脱氮除磷性能,尤其是反硝化除磷功能进行研究.结果表明,当进水C/N/P比在33.3/5/1～25/5.5/1范围内,整个实验过程中COD、 TN和TP平均去除率分别达到89.3%、 75.4%、 79.2%;且膜出水不受污泥沉降性的影响.缺氧段的反硝化吸磷是MUCT-MBR工艺除磷的关键,系统运行至第58 d,系统中反硝化除磷菌（DPAOs）所占比例达84.2%,反硝化除磷占系统总磷去除的67.07%.     

高效反硝化细菌的快速培养及群落结构多样性分析

培养高效的反硝化细菌可提高污水处理效率.本实验为序批式实验,以Ⅰ号、Ⅱ号发酵液为碳源,采用梯度提高硝氮的方式,培养高效的反硝化细菌,从中选择培养更加快速的发酵液.并采用高通量测序技术分析反硝化细菌的生物群落结构和多样性的变化.结果表明,Ⅱ号发酵液能够在第11 d便实现高效反硝化细菌[300 mg·(L·h)-1]的快速培养,比Ⅰ号发酵液提前了17 d,同时,高效反硝化细菌系统对氨氮和总磷有一定的去除效果,最大去除速率分别为34.43 mg·(L·h)-1和2.98mg·(L·h)-1.高通量测序分析结果表明,污泥经过驯化培养,物种丰度和多样性降低,但发挥反硝化作用的优势菌群的类别和比例得到增大;细菌的组成及数量发生了较大的改变,最终发挥高效反硝化作用的核心菌属为Thauera和Pseudomonas.另外,反硝化聚磷菌科(Rhodocyclaceae和Pseudomonadaceae)和异养硝化菌属(Pseudomonas、Alcaligenes、Bacillus和Comamonas)的存在,验证了系统对氨氮和总磷的去除能力.     

PCR-SSCP技术用于脱臭微生物群落结构的研究

采用PCR-SSCP(单链构象多态性)技术对脱臭生物滤池中填料生物膜微生物群落结构进行了研究.生物滤池对臭气中的污染物随驯化时间逐渐增强,去除率从50%升高到89%.对2种填料树皮和秸秆上生物膜的分析结果表明,滤池内微生物多样性随运行时间先降后升,从1.6～1.9上升到2以上;而2种填料上微生物的相似性逐渐增加,表明随着驯化进程,生物填料上的微生物能够利用臭气污染物进行生长,并随运行时间逐渐趋于丰富和稳定;树皮比秸秆具有较高的生物多样性,平均值分别为2.2和2.0,说明树皮上容易附着多种微生物生长,电镜照片也显示2种填料生物膜的增长和生物多样性的提高.SSCP条带测序结果表明生物滤池生物膜优势微生物种属为芽孢杆菌属,占33.3%;条带中不可培养细菌占44.4%;填料生物膜上的细菌绝大多数是广泛存在于土壤、水体及生物体中的微生物,它们对环境适应能力强,在臭气的污染物去除中扮演重要角色.     

Fe3+对反硝化系统除磷效果及微生物产物的影响

铁盐常作为化学药剂来辅助城市污水处理厂的生物除磷. 利用间歇试验考察投加不同ρ(FeCl₃)时反硝化除磷系统中污染物的去除效果以及EPS(胞外聚合物)、PHA(聚羟基脂肪酸酯)、糖原的形成与转化,并通过分析胞内Fe3+含量来解析Fe3+对反硝化除磷系统的影响. 结果表明:①Fe3+投加量(以ρ计)<10 mg/L时,系统中PO₄3-P的去除率由未投加时的88.4%升至100%;Fe3+投加量>10 mg/L时,PO₄3-P的去除率随Fe3+投加量的增加而缓慢降至84.4%(Fe3+投加量为25 mg/L时). ②Fe3+投加量(10 mg/L)较低时,会增加污泥中w(总EPS);但由于Fe3+会与EPS中的羟基、氨基等官能团发生络合反应,导致Fe3+投加量(>10 mg/L)较高时可检出的w(总EPS)降低. ③投加Fe3+对厌氧段内w(PHA)、w(糖原)的变化及生物释磷的抑制作用影响不大,但Fe3+投加量(>10 mg/L)较高时对缺氧段NO₃--N的生物利用、生物吸磷作用以及PHA和糖原的转化速率有明显的抑制作用. ④缺氧阶段末胞内Fe3+含量(以w计)增加144%(Fe3+投加量为25 mg/L时),说明抑制作用主要是因为缺氧段Fe3+随细胞吸磷作用一并进入胞内,直接影响生物酶活性.      

内循环比对反硝化除磷工艺处理效果和群落结构的影响

反硝化除磷作为一种新型可持续发展技术受到广泛关注. 前期在多级缺氧-好氧工艺的基础上开发了一种新型反硝化除磷工艺(DPR-MAO). 为探明内循环系统对DPR-MAO工艺脱氮除磷效能的影响,考察了不同内循环比条件下的氮磷去除效果,分析了各反应池的脱氮除磷过程以及微生物群落特征. 结果表明:当内循环比由100%提至200%时,总氮和总磷的平均去除率由76.05%和86.39%分别提至87.46%和93.42%. 通过氮磷质量平衡分析发现,提高内循环比可以使工艺表现出优良的反硝化除磷性能. 高通量测序结果表明,DPR-MAO工艺中具有反硝化除磷功能的菌属主要有Thiothrix、Dokdonella、Candidatus accumulibacter、Thauera、Comamonas、Dechloromonas和Pseudomonas. 当内循环比由100%提至200%时,具有反硝化除磷功能的菌属的相对丰度总和增加了约4倍,其中Thiothrix的相对丰度由0.36%~0.52%增至53.58%~56.64%. 研究显示,提高内循环比可以强化DPR-MAO工艺的反硝化除磷效果以及反硝化聚磷菌在微生物群落中的优势地位.      

六氨合钴溶液治理NO废气污染研究

将可溶性钴盐溶解在氨水溶液中生成六氨合钴离子([Co(NH₃)₆]²⁺),利用[Co(NH₃)₆]²⁺能络合NO和活化氧分子的特性,实现NO的吸收和氧化同时进行,从而将NO从废气中脱除掉并转化为硝酸根和亚硝酸根.用活性炭作催化剂实现[Co(NH₃)₆]²⁺离子的再生,保持[Co(NH₃)₆]²⁺溶液能长时间高效率地脱除废气中的NO.研究结果表明:用活性炭催化还原[Co(NH₃)₆]³⁺的转化率随着温度的升高而增大;在固定床催化反应器中,活性炭颗粒的大小对催化效果的影响不大;[Co(NH₃)₆]²⁺溶液能有效地脱除废气中的NO,废气中的氧有利于NO的脱除,采用活性炭催化再生[Co(NH₃)₆]²⁺后,0.02mol/L[Co(NH₃)₆]²⁺溶液脱除NO的效率能长期保持在80%以上.该法是一种经济、高效、简便的NO污染治理方法.