Analysis of phosphate-accumulating organisms cultivated under different carbon sources with polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis assay

To investigate the microbial communities of microorganisms cultivated under different carbon sources, three sequencing batch reactors were operated. They were supplied with sewage, glucose and sodium acetate as carbon sources respectively and showed high phosphorus removal performance. The results of denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE) of polymerase chain reaction-amplified (PCR) 16S rDNA fragments demonstrated that β-protebacteria, Actinomyces sp. and y-protebactefia only exited in 1# reactor. The microbiological diversity of 1# reactor exceeded the other two reactors. Flavobacterium, Bacillales, Actinomyces, Actinobacteridae and uncultured bacteria(AF527584, AF502204, AY592749, AB076862, AJ619051, AF495454 and AY133070) could be detected in the biological phosphorus removal reactors.     

系列混合碳源条件下颗粒化EBPR系统菌群结构变化规律研究

在SBR反应器中接种富含聚磷菌的活性污泥,采用一系列不同丙酸/乙酸比例混合的碳源进行EBPR系统污泥的颗粒化培养,并考察了颗粒化进程中的系统菌群结构变化,以及不同混合碳源条件对系统功能菌种竞争的影响.结果表明,污泥颗粒化过程对EBPR系统菌群结构产生了较大的筛选作用.原本在系统中占优势的一类Uncultured bacterium被迅速淘汰;Uncultured Rhodocyclaceae bacterium、部分Candidatus Competibacter phosphatis、部分Denitrifying bacterium、Acinetobacter及部分Uncultured alpha proteobacterium分别逐渐被淘汰.在各个成熟的颗粒化EBPR系统中,除磷微生物主要为Uncultured Chlorobi bacterium与Uncultured alpha proteobacterium.不同混合碳源条件培养的颗粒化EBPR系统菌群结构差异主要表现为Candidatus Competibacter phosphatis(聚糖菌)与Uncultured Chlorobi bacterium(聚磷菌)菌群数量的不同.混合碳源中乙酸比例的提高可造成颗粒化EBPR系统中Candidatus Competibacter phosphatis的增长,使系统的除磷效率下降.而碳源中丙酸比例相对较高的条件有利于Uncultured Chlorobi bacterium增长,从而有助于颗粒化EBPR系统维持较好的除磷效率.     

脉冲SBR工艺短程脱氮的实现及对除磷的强化

采用脉冲进水缺好氧交替工艺(SAOSBR)处理低C/N实际生活污水,考察了短程脱氮对于低碳源生活污水同步脱氮除磷效果的强化作用,并分析了短程脱氮强化生物除磷的机理.结果表明,通过短时的饥饿处理配合缺好氧交替的运行方式实现了系统的短程硝化,亚硝酸盐积累率稳定在95%以上.短程的实现还强化了系统的同步脱氮除磷效果,总氮和磷的平均去除率相比于全程脱氮过程分别提高了约6%和36%.分析表明短程强化生物除磷的原因主要是由于残留的NO2-对聚磷菌厌氧释磷的影响较小.静态试验也证实,在碳源不足的条件下,以NO2-为电子受体的反硝化作用相比于NO3-可以减弱反硝化菌与聚磷菌之间的碳源竞争,从而提高聚磷菌的厌氧释磷量和聚羟基烷酸(PHA)的合成量.因此,在处理低C/N生活污水时,短程脱氮的实现更有利于系统的生物除磷.     

胞外聚合物EPS在废水生物除磷中的作用

对EPS在废水生物除磷中的作用机理进行系统研究,探讨和完善生物除磷机理.试验结果表明,在生物除磷系统中,EPS贮存了部分磷,在生物除磷中起着重要的作用.在厌氧.好氧交替过程中.EPS中磷含量呈厌氧减少、好氧增加的周期性变化;污泥中的磷有82%左右被聚磷菌吸收,另外18%左右的磷聚集在EPS中;一个运行周期中基质所减少的磷84.3%被聚磷菌过量吸收,15.7%被贮存于EPS中;EPS对磷的去除能力与EPS的含量正相关.此外,泥龄对EPS影响较大,对EPS在生物除磷中的作用影响显著,泥龄越长,EPS含量越高,EPS中所贮存的磷含量越高.而磷负荷对EPS除磷影响不显著.     

EBPR中两类细菌PAOs和GAOs竞争的研究进展

强化生物除磷(EBPR)工艺可以获取高效的除磷效果,已在很多污水处理厂得到广泛应用。但是大型污水处理厂在相当多的条件下,EBPR工艺也会出现周期性除磷效果的波动和不充分。针对这一难题,研究者试图采用许多手段来研究工艺中的主要微生物。文章针对典型的EBPR工艺和碳源、pH值、温度等因素对EBPR工艺中两类细菌聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)竞争的研究进展进行了论述,并展望了未来的研究方向。     

生物除磷系统中聚磷菌检测常用技术

作为生物除磷系统中的主要功能菌,对聚磷菌菌群进行定性、定量分析是深入理解生物除磷系统、提高除磷效率的必然趋势。目前常用于检测聚磷菌的方法主要有生物化学法和分子生物学法,文章主要阐述了荧光原位杂交技术、聚合酶链反应技术、变性梯度凝胶电泳技术以及多技术结合使用的特点及应用情况,并在此基础上提出了改进措施以及聚磷菌检测技术的发展方向。     

生物除磷系统的聚磷微生物种群及其检测方法

总结了强化生物除磷(EBPR)系统中的聚磷菌微生物学的研究成果,介绍了聚磷菌所涉及主要菌群的菌属分类情况及其生物特性,阐述了EBPR系统内聚磷菌微生物学研究的各种分离鉴定技术的特点,包括传统的微生物纯培养技术、染色与光学显微镜技术,现代分子及其扩展技术及组合技术等,并分析了各分子生物技术的应用情况。重点介绍了以Accumulibacter为主的聚磷菌形态学和代谢特性方面取得的研究进展,并对今后聚磷菌微生物学的研究和发展方向进行了论述。     

丙酸/乙酸比例对生物除磷系统的影响研究

在5个SBR反应器(1#～5#)中,用乙酸、丙酸/乙酸(以C计)比例为0.5、2、10和丙酸的合成废水,通过厌氧/好氧工艺驯化活性污泥使之富集聚磷菌,研究了丙酸/乙酸比例对强化生物除磷系统(EBPR)中COD降解、溶解性正磷酸盐(SOP)的释放、吸收及其去除率的影响。结果表明,PAO对COD的降解符合一级动力学过程,PAO对丙酸的利用速率较乙酸快,因此,增加丙酸/乙酸比例有助于EBPR系统的稳定性。随丙酸/乙酸比例增加,SOP的释放与吸收量减少,SOP的代谢速率降低,但SOP的去除率依次为88.2%,89.8%,92.2%,94.2%和95.2%,去除率增加了7%,因此增加丙酸/乙酸比例有助于提高EBPR系统除磷效率。     

基于聚糖菌和聚磷菌竞争的代谢模型及影响因素

聚糖菌的富集已成为造成EBPR强化生物除磷系统非稳定运行的重要因素之一.本文基于活性污泥数学模型ASM.2D的生物除磷代谢模型,围绕化学计量学和动力学阐述了聚磷菌PAOs胞内糖原的代谢途径以及聚糖菌GAOs在厌氧和好氧条件下的代谢模型,揭示了2类微生物的竞争本质.同时,对比分析了影响代谢模型化学计量学参数的若干因子,如碳源类型、温度、pH条件和污泥龄SRT等;结果发现,这些因素对PAOs和GAOs的代谢模型系数具有重要的影响作用,并进而决定着2类微生物的竞争优势.此外,针对目前对两类微生物的竞争主要集中于厌氧代谢的现状,提出今后的研究重点应放在好氧/缺氧机理方面.     

Role of extracellular exopolymers on biological phosphorus removal

Three sequencing batch reactors supplied with different carbon sources were investigated. The system supplied with glucose gained the best enhanced biological phosphorus removal although all of the three reactors were seeded from the same sludge. With the measurement of poly-β-hydroxyalkanoate （PHA） concentration, phosphorus content in sludge and extracellular exopolymers （EPS） with scanning electron microscopy （SEM） combined with energy dispersive spectrometry （EDS）, it was found that the biosorption effect of EPS played an important role in phosphorus removal and that the amount of PHA at the end of anaerobic phase was not the only key factor to determine the following phosphorus removal efficiency.     

A2/O-BCO系统中碳源类型对反硝化除磷及菌群结构的影响

采用厌氧/缺氧/好氧-生物接触氧化(A²/O - BCO)工艺处理低碳氮(C/N)比污水, 考察单因素碳源(阶段Ⅰ: 乙酸钠; 阶段Ⅱ: 乙酸钠+丙酸钠; 阶段Ⅲ: 丙酸钠)对有机物去除以及同步脱氮除磷的影响, 并重点探究乙酸钠、丙酸钠混合碳源条件下内碳源(PHA、Gly)的转化利用以及反硝化除磷(DPR)机理, 同时通过高通量测序对比了不同阶段微生物菌群结构的演变规律.结果表明: 混合碳源提高了有机物、氮、磷的同步去除效率, 厌氧段内碳源转化量为226mg/h, 释磷量高达30.58mg/L, DPR效率稳定在90%以上; 批次试验表明反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例为72.42%, 基本实现了DPAOs的富集; 高通量测序结果表明混合碳源更有利于形成独特的OTUs菌群, PAOs(包括Accumulibacter和Acinetobacter)和DPAOs (包括Dechloromonas和Pseudomonas)总量高达29.13%(> 16.18%(阶段Ⅲ) > 14.34%(阶段Ⅰ)), 有效促进了碳源的高效利用以及反硝化除磷效率; BCO反应器中氨氧化菌(AOB, 包括Nitrosomonas和Nitrosomonadaceae)和亚硝酸盐氧化菌(NOB, 以Nitrospira为主)总量从3.89%(N1)增加到23.09%(N2)、37.23%(N3), 为反硝化除磷提供充足的电子受体; 此外, 建立了基于碳源高效利用的运行调控策略, 以期为A²/O - BCO工艺的推广应用提供理论参考.     

纳米氧化锌对EBPR系统的长期作用机制研究:从宏观到微观

研究了纳米氧化锌(ZnO NPs)对强化生物除磷(EBPR)系统的长期作用机制,系统分析了EBPR系统在ZnO NPs长期抑制下宏观运行性能与微观结构的变化.结果发现,当进水开始添加ZnO NPs后,系统沉降性能随之降低.厌氧释磷速率与好氧吸磷速率均出现显著降低并降至0 mg·g~(-1)·h~(-1)(以每g MLSS释(吸)P量(mg)计,下同),从而使得系统丧失除磷效果.同时,厌氧段COD开始积累.ZnO NPs浓度增加至10 mg·L~(-1)时,多糖与蛋白质含量在抑制条件下均开始减少.通过高通量技术对微观层面进行分析发现,ZnO NPs将会严重抑制聚磷菌的正常生长.ZnO NPs对系统内不同细菌有截然不同的作用,Proteobacteria门在试验过程中比例减小,而Bacteroidetes门却受到促进作用.恢复阶段,较低浓度(2 mg·L~(-1))抑制条件下,EBPR系统恢复速度与程度均优于高浓度(6、10 mg·L~(-1))抑制条件.然而,即使系统得到一定程度恢复也难以恢复到初始水平.     

Monitoring microbial community structure and succession of an A/O SBR during start-up period using PCR-DGGE

Polymerase chain reaction (PCR) - denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) protocol was employed for revealing microbial community structure and succession in a sequential anaerobic and aerobic reactor performing enhanced biological phosphorus removal (EBPR) during start-up period.High phosphorus removal was achieved after 15 d.On day 30, phosphorus removal efficiency reached to 83.2% and the start-up was finished.DGGE profiles of periodical sludge samples showed that dominant microbial species were 19 OTUs (operational taxonomy unit ).Unweighted pair-group method using Arithmetic averages (UPGMA clustering analysis revealed that rapid community succession correlated to lower phosphorus removal rate and higher phosphorus removal efficiency reflected on steady community structure.Sequencing results indicated that determined sequences (12 OTUs) belonged to proteobacterium, Actinobacteria, Gemmatimonadales and unaffiliate group.Proteobacterium, Tetrasphaera elongate and Gemmatimonas aurantiaca may act important roles in phosphorus removal.With little amount as known glycogen accumulating organisms, Candidatus Competibacter phosphatis still at accumulating-phase had limited influence on microbial community structure.When climax community was obtained, dominant microbes were 14 OTUs.Microbes in a large amount were uncultured bacterium, Thauera sp., uncultured γ-Proteobacterium and Tetrasphaera elongata.     

发酵液作为EBPR碳源的动力学模拟

发酵液是一种优质的碳源,能够提高生物除磷系统(EBPR)的除磷效果.采用基于碳源代谢的修正ASM2模型,能够较好地模拟发酵液作为EBPR碳源的动力学变化规律.发酵液作为EBPR唯一碳源时,系统中的异养菌不仅不对聚磷菌(PAO)的生长构成竞争关系,反而促进PAO的生长.发酵液作为实际污水的补充碳源时,优化了污水中的碳源组成,创造了有利于聚磷菌生长的环境,使EBPR中聚磷菌达到微生物总量的40%以上,比实际污水作为碳源的EBPR中的PAO含量提高了3.3倍.     

基于碳源优化的反硝化除磷及微生物特性

接种厌氧/缺氧/好氧-生物接触氧化（AAO-BCO）系统的反硝化除磷污泥,采用厌氧/缺氧/好氧-序批式（AAO-SBR）系统,重点考察了乙酸盐和丙酸盐配比（1：0,2：1,1：1,1：2和0：1）对反硝化除磷效率的影响,同时通过高通量测序对比了不同配比下微生物菌群结构的变化.结果表明,5种工况下,AAO-SBR系统均具有较高的有机物去除和反硝化除磷能力.而当乙酸钠/丙酸钠=1：0时,厌氧阶段在高效利用COD（87.63%）的同时完成聚-β-羟基烷酸（PHAs）的合成（174mgCOD/gMLSS）,释磷量高达31.22mg/L;缺氧阶段PO₄^3--P的去除（74%）伴随着NO₃^--N反硝化（90%）,PHAs利用率为72.4%,实现了氮磷的高效去除.高通量测序结果表明：不同碳源配比影响了微生物菌群的丰富度和多样性,其中变形菌门（Proteobacteria,31%~76%）、绿弯菌门（Chloroflexi,1%~26%）、拟杆菌门（Bacteroidetes,2%~31%）等占据绝大比例,而乙酸钠、丙酸钠共存时,微生物的多样性较好.当乙酸钠为单一碳源时,系统中聚磷菌（PAOs,21.364%）在与聚糖菌（GAOs,2.317%）的竞争中占绝对优势.     

好氧段碳源浓度对同步去除和富集磷酸盐生物膜的影响

利用聚磷菌以循环交替O/A模式运行,对生活污水处理厂的主流工艺中实现磷酸盐的同步去除和富集,探究了好氧段碳源浓度对聚磷生物膜去除和富集磷酸盐性能以及生物膜中微生物种群结构的影响.结果表明,好氧COD质量浓度从200 mg·L~(-1)降低到0 mg·L~(-1),吸磷速率提升1. 29倍,出水磷质量浓度稳定在0. 5 mg·L~(-1)以下;释磷速率提升3. 56倍,富集液磷酸盐质量浓度从27. 125 mg·L~(-1)升高到55. 91 mg·L~(-1).微生物群落变化中,鉴定为聚磷菌的变形菌门(Proteobacteria)的含量增加约2倍,红环菌科(Rhodocyclaceae)和厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)的富集效果分别提高了2. 28和5倍.降低好氧段碳源浓度,有利于聚磷菌的筛选和富集,强化了好氧段磷酸盐的去除以及厌氧段磷酸盐的释放,获得了更高的磷酸盐富集液,并且为以资源回收为目的的未来城市污水处理厂提供降低好氧段碳源需求的理论基础.     

不同碳源驯化除磷污泥的除磷效果及菌群结构分析

采用SBR反应器,分别以乙酸钠、甘油、丙酸钠为单一碳源,在严格厌氧/缺氧条件下驯化培养反硝化除磷污泥,考察不同碳源对反硝化除磷效果的影响,并采用高通量测序技术研究了不同碳源除磷污泥的菌群结构,分析其中除磷菌所占比例. 结果表明,以乙酸钠、甘油、丙酸钠为碳源的各系统出水中,ρ(TP)平均值分别为0.79、0.98、0.29 mg/L,TP去除率分别为82.5%、79.2%、93.4%. 取自污水厂的种泥微生物多样性最高;其次为以甘油驯化的污泥和以乙酸钠与丙酸钠培养的污泥,二者表现出相似的多样性与菌群结构. 各反应器中的污泥在“纲”与“目”分类级别上分别均以β-Proteobacteria与Rhodocyclales占主导. 稳定期乙酸钠、甘油、丙酸钠为碳源的系统中的除磷菌所占比例分别为9.5%、8.0%、41.5%,以丙酸钠为碳源的系统中除磷菌所占比例最高. 对于厌氧/缺氧系统,与以乙酸钠、甘油相比,丙酸钠为碳源时系统的除磷效果更好,并且有利于除磷菌的富集.      

pH对低温除磷微生物种群与聚磷菌代谢的影响

在5°C条件下通过运行SBR生物除磷反应器和静态实验考察pH对低温生物除磷系统的影响。pH不仅影响生物除磷反应器的性能,而且也会影响生物除磷系统的微生物种群结构。在pH为6的条件下长期运行的生物除磷系统中聚糖菌大量存在;而在中性(pH=7)和弱碱性(pH=8)条件下,聚磷菌在活性污泥中占有优势地位。静态实验结果表明,当pH在6⁸.5之间变化时,聚磷污泥的厌氧释磷能力随pH的升高而提高。pH在68.5之间变化时,聚磷污泥的厌氧释磷能力随pH的升高而提高。pH在6⁸之间变化时,乙酸吸收和PHB的合成能力随着pH升高而加强,当pH升高到8.5时,PHB合成能力下降,从而抑制了好氧段磷酸盐的吸收。pH为8时,生物除磷系统实现了充分的释磷和吸磷,并取得了最好的除磷效果。     

乙酸钠丙酸钠配比对A2/O-BCO反硝化除磷及菌群结构的影响

采用厌氧/缺氧/好氧和生物接触氧化反应器（A²/O-BCO）组成的反硝化除磷系统处理模拟生活污水,通过调节进水乙酸钠、丙酸钠的配比（乙酸钠：丙酸钠分别为1：0,2：1,1：1,1：2和0：1）,考察了系统对有机物的去除以及同步脱氮除磷的影响,同时通过高通量测序对比了不同配比下微生物菌群结构的变化.结果表明：乙酸钠丙酸钠配比对有机物和NH₄⁺-N的去除影响较小,对厌氧段有机物的消耗和TN的去除率以及磷的释放和吸收影响较为明显;TP去除率仅为50.3%~56.8%,需进一步优化系统的运行参数.当乙酸钠：丙酸钠=1：1时,厌氧段有机物消耗量最大,占有机物流入量的61.2%,厌氧释磷量最大（23.2mg/L）且缺氧吸磷率最高（71.4%）,而TN的去除效果则随丙酸钠含量的增加而增加.高通量测序结果表明：A²/O反应器中微生物多样性降低,混合碳源污泥中微生物多样性比单一碳源更丰富;驯化后的污泥中绿弯菌（Chloroflexi）和螺旋菌（Saccharibacteria）减少,变形菌（Proteobacteria）和拟杆菌（Bacteroidetes）增加.BCO反应器中Nitrospira和Nitrosomonas总占比为2.1%~31.4%,且抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性,有利于短程硝化的实现.     

金黄色葡萄球菌聚磷特性研究

在厌氧/好氧交替环境下,对一般不认为是典型聚磷菌的金黄色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus)纯菌的释磷、聚磷行为和碳源利用情况进行了研究,并考察了其对实际生活污水中磷的去除效果.结果表明,正常好氧条件下培养的金黄色葡萄球菌,改为厌氧培养5h后就有明显的释磷行为;在紧接下来转为好氧培养时会快速吸磷,6h时的吸磷量达水中总磷的65%,菌体含磷量由之前的0.98%增加到2.30%.染色观察显示,厌氧培养后菌体内聚羟基丁酸(PHB)颗粒显著增多,转为好氧培养后胞内聚磷颗粒增多.经过厌氧/好氧交替运行4个周期后菌体的含磷量就由初期的0.8%增至4.6%,但每个环境交替周期内吸磷量并未显著增加,且在厌氧/好氧交替的第1个周期,金黄色葡萄球菌即具有明显释磷、吸磷行为.该菌在厌氧阶段可利用包括蛋白胨、葡萄糖等大分子有机物在内的多种碳源释磷;其对实际生活污水磷的去除率高达98.2%.因此,金黄色葡萄球菌具有典型的聚磷菌特征,其聚磷时可利用的碳源可以是VFAs之外的蛋白质和葡萄糖,且其聚磷能力不需要诱导,是其与生具有的本性.