污水处理体系中的微生物群落特征研究

污水生物处理系统本质上是一种人工强化的工程化微生态系统。污水处理过程往往由多个功能互补的反应单元协同完成，例如因对污水中有机碳、氮和磷兼具良好的去除功能而在城市污水处理中被广泛应用的Anoxic / Oxic（A/O）生物处理工艺。不同反应单元特有的微生物群落之间的相互关系和相互作用与处理系统的稳定性和处理效率密切相关。所以对污水处理系统中微生物群落进行系统分析非常重要。研究系统中微生物群落的时空演替对于优化处理系统的设计和操作具有重要意义。但是，以往对于污水处理系统中微生态系统的解析多数针对实验室规模的其中个别反应器独立进行，还缺乏从系统水平对实际大规模运行的整个污水处理过程中所有反应单元群落进行分析的研究。 悬挂链移动曝气系统是对A / O工艺的完善和发展。悬挂链曝气工艺的实现是依靠悬挂链移动曝气设备和完善的自动控制系统来完成的。可以在系统中实现类似多级A/O的可能性，水力停留时间较长，污泥龄达到15天以上，能够完全实现A / O 工艺。 目前正被广泛应用在各种行业的污水处理项目中。 本文应用基于细菌16S rRNA中的PCR扩增方法（Polymerase Chain Reactor），结合变性梯度凝胶电泳指纹分离技术（Denaturing Gradient Gel Electrophoresis, DGGE），对实际规模的运用Anoxic / Oxic（A/O）工艺并采用悬挂链式移动曝气技术的污水生物处理系统中微生物群落特征，主要对细菌组成结构和群落动态，细菌优势菌群的多样性以及与系统功能稳定性的关系进行了研究，拟为更全面了解活性污泥处理系统中的优势菌群特征，以及细菌群落结构和功能动态变化关系，实现对活性污泥处理的优化操作，对污染物降解功能菌群的筛选，为运用现代培养技术实现分离培养并运用于环境修复实践奠定方法和理论基础。 首先，对影响PCR-DGGE分析的重要前操作步骤进行了优化和筛选，包括两个方面：细菌基因组DNA的高效提取和纯化；不同16S rRNA靶序列对PCR-DGGE分析的影响。从中选出适合于活性污泥样品的细菌基因组DNA提取方法和PCR-DGGE分析的最优靶序列组合。 其次，运用PCR-DGGE指纹图谱技术分析了该污水处理系统中不同功能反应单元中活性污泥的细菌种群结构特征，探讨了系统运行过程中细菌种群时间和空间上的动态特征。并将图谱中所显示的优势条带进行切割回收，重复扩增，电泳检测，序列测定并与GenaBank数据库中的微生物类群进行同源性比对，探讨活性污泥中细菌种群多样性，了解污泥中可能含有的主要具有污染物降解功能的类群信息。 在整个处理过程中，同一功能反应单元中不同位置的活性污泥微生物菌群结构不同。执行不同功能的处理单元活性污泥细菌多样性和组成结构各有不同。 在系统稳定运行的状态下，细菌组成结构的时间变化动态不显著。但是在系统的不同操作条件下，主要处理池的微生物群落的DGGE遗传指纹图谱较独特。 对该处理系统污泥中优势菌群的序列测定和同源性比对表明，优势菌群所对应的细菌的16S rDNA序列可以被归属于以下四个主要的细菌系：α, β, γ- Proteobacteria 以及厚壁菌门 phylum Firmicutes （low G+C Gram-positive）。 该处理系统的优势菌群的DGGE条带拥有潜在的具有异养硝化/好氧反硝化的除 N / P 类群。该类菌群中的大多数属于Pseudomonas spp.。另外，回收到两个与已鉴定的具有异养硝化和好氧反硝化能力的Pseudomonas stutzeri 和 Pseudomonas borbori 最相似的菌株的条带。γ-变形菌纲门（γ- Proteobacteria）的微生物类群在该缺氧-好氧处理厂中分布较广泛，尤其是和 N / P 去除紧密相关的具有脱氮除磷能力的Pseudomonas 类群，而且在好氧曝气处理池中分布较广，这可能和系统中表现的好氧反硝化现象相关。 不同的操作状况下微生物群落结构有差异。增加污泥回流比，增加DO（Dissolved oxygen）浓度，COD去除率和NH4+-N去除率显著增加，总N和总P的去除率改变不显著。 最后，对整个处理过程中微生物群落结构在系统正常调控改变范围内的长期动态和稳定性进行了探讨。整个处理系统的长期稳定性与体系中的每个处理环节相关，而不是仅与其中的单个主要反应池相关。污水处理体系的功能稳定性与其中的微生物群落稳定性相关，微生物群落结构决定了生态功能，群落结构变化能反应系统的运行状况及其降解效率。