印染废水处理系统构建调试过程中微生物群落进化研究

论文摘要

工业废水生物处理系统在构建的过程中常常使用城市污水处理厂的活性污泥作为种污泥接种，该污泥中的微生物群落在适应新的废水环境过程中可能发生巨大变化，这种变化有时会导致新系统构建的失败。因此理解微生物群落在工业废水处理系统构建过程中以及系统之后的运行过程中的进化规律将有助于废水处理工程的构建操作和调试运行。而全规模污水处理系统，特别是印染废水处理系统中这种微生物群落进化过程的追踪研究还鲜有报道。本研究在追踪检测日处理量为1000吨的印染废水生物处理系统在构建和3个多月的调试运行效果的基础上，利用PCR-DGGE和T-RFLP两种分子生物学方法研究了包括细菌、真菌和古菌在内的三大域微生物的群落进化过程。具体研究成果包括如下几方面：（1）印染废水生物处理系统包括两级生化处理装置，分别为水解酸化+活性污泥和水解酸化+好氧接触氧化。经过3个多月调试过程中的连续监测结果表明，COD和色度的总去除率分别高达85%和84.9%。培养和定量PCR对微生物计数的结果表明，细菌是这所有的处理单元中的绝对优势菌群，真菌数量次之，古菌最少；随着系统运行，真菌数量逐渐减少，古菌的数量明显增加，特别是二级生化处理系统中，在运行3个月末，古菌的数量超过细菌成为明显的优势菌群，古菌占细菌的比率为1:0.58。（2）利用PCR-DGGE的方法对系统构建和调试运行中的微生物群落进行追踪研究，结果表明，系统中细菌的多样性明显高于古菌和真菌；从种污泥到系统构建成功，细菌和真菌在系统中的持留率接近（细菌为57.3%，真菌为57.6%）并且明显高于古菌（34.8%）；由于废水组分和主要污染物始终处于变化中，因此驱动着各类群的微生物种群结构在整个调试运行过程中一直发生着变化，其中，细菌和古菌的多样性都在增加，而真菌的多样性则逐渐减少；二级生化处理单元接收一级生化池处理之后的废水，其组分波动相对较小，因此其中的微生物群落稳定性明显高于一级处理单元。DGGE条带切胶测序的结果表明，系统中的细菌广泛分布在α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、β-变形菌纲（Betaproteobacteria）、γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、拟杆菌（Bacteroidetes）、梭菌纲（Clostridia）、芽孢杆菌纲（Bacilli）、暖蝇菌纲（Caldilineaceae）、硝化螺旋菌纲（Nitrospira）、绿菌纲（Chlorobia）、酸杆菌纲（Acidobacteria）十个纲中；真菌主要分布在壶菌纲（Chytridiomycetes）和结合纲（Zygomycota）；古菌主要分布在广古菌门（Euryarchaeota）其中大部分是产甲烷菌（Methanogen），和泉古菌门（Crenarchaeota）。（3）利用另外一种分子生物学方法T-RFLP法对该系统中的微生物群落进化过程进行追踪研究，所得结果和DGGE的结果相似，其中主要的优势细菌分布在α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、 β-变形菌纲（Betaproteobacteri）、 γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、暖蝇菌纲（Caldilineaceae）、硝化螺旋菌纲（Nitrospira）、绿菌纲（Chlorobia），其中Caldilineaceae占4.46%-11.6%，Alpha-proteobacteria占7.51-9.67%，Chloroflexi bacterium占6.02%-7.15%，Rhodobacter sp.24.32%-28.81%，Thermomonas sp占17.34%-38.95%；主要的优势真菌是壶菌纲（Chytridiomycetes），其中Blastocladiales sp.占2.30%-3.12%；主要的优势古菌是广古菌门（Euryarchaeota）中的产甲烷（Methanogen）。（4）通过对系统构建过程以及3个多月的调试运行过程中的微生物群落结构进化过程的追踪研究发现，尽管微生物群落发生了很大变化，但系统的运行效率没有明显的变化，古菌和真菌的多样性和种群稳定性明显比细菌大，说明细菌具有巨大的功能冗余保证系统稳定运行。古菌随着系统的运行数量明显上升并且在二级好氧生化处理系统中超过细菌的数量成为优势菌群的现象值得关注，提示古菌可能在难降解物质的降解方面具有还未知的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 水污染
• 1.2 印染废水
• 1.3 印染废水的处理
• 1.4 当前中国印染废水处理系统处理效果及面临的问题
• 1.5 微生物对染料降解的研究
• 1.6 废水处理系统中微生物群落进化研究进展
• 1.6.1 目前常见废水处理系统中微生物群落结构
• 1.6.2 废水处理系统中微生物群落进化
• 1.7 目前环境微生物生态分析方法
• 1.7.1 核酸杂交法
• 1.7.2 基于聚合酶链式反应（PCR）的方法
• 1.7.3 基因芯片（Microarray）
• 1.7.4 宏蛋白质组学（Metap-roteomics）
• 1.8 本研究的目的和意义
• 第二章 印染废水处理系统的运行
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 设计的印染废水处理工艺流程
• 2.2.2 主要构筑物设计参数
• 2.2.3 水质指标及测定方法
• 2.2.4 印染废水水质
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 印染废水处理系统运行监测
• 2.3.2 印染废水处理系统的整体处理效果
• 2.4 小结
• 第三章 印染废水处理系统中微生物丰度动力学进化
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 样品简介
• 3.2.2 可培养微生物的计数
• 3.2.3 微生物菌群的定量分析（Q-PCR）
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 可培养微生物丰度的动力学进化
• 3.3.2 基于 Q-PCR 的微生物丰度的动力学进化
• 3.4 小结
• 第四章 RCR-DGGE 分析细菌、真菌、古菌的群落进化
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 活性污泥样品总 DNA 的提取
• 4.2.2 引物及反应条件
• 4.2.3 变性梯度凝胶电泳（DGGE）
• 4.2.4 克隆操作
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 活性污泥总 DNA 提取及 PCR 扩增结果
• 4.3.2 基于 PCR-DGGE 的微生物群落结构的进化
• 4.3.3 基于 PCR-DGGE 的群落系统发育进化分析
• 4.4 小结
• 第五章 T-RFLP 分析细菌、真菌、古菌的群落进化
• 5.1 引言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 引物及限制性内切酶
• 5.2.2 T-RFLP 操作
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 T-RFLP 指纹图谱的分析
• 5.3.2 基于 T-RFLP 的微生物群落结构的进化分析
• 5.3.3 基于 T-RFLP 的微生物系统发育进化分析
• 5.4 微生物群落进化 DGGE 与 T-RFLP 分析对比
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 T-RFLP 图谱
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录