工业化厌氧颗粒污泥重要菌群及相关功能基因研究

论文摘要

产甲烷菌群是厌氧颗粒污泥中的重要菌群,mcrA、mtr和F420是产甲烷菌中特有的辅酶编码基因。以取自工业化UASB反应器中处理阿维菌素和淀粉废水的厌氧颗粒污泥为研究对象,采用PCR-DGGE、FISH等分子生物学手段,对厌氧颗粒污泥的产甲烷菌群及相关功能基因进行研究,考察了菌群结构的多样性、系统发育关系和相对丰度等微生物学信息,同时考察了抗生素残留对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的抑制情况,研究获得以下结果：基于mcrA和16S rRNA两种目标基因获得的PCR产物的DGGE图谱存在差异,但根据图谱计算所得产甲烷菌群Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数和Berger-Parker优势度指数没有差异,表明基于两种目标基因的产甲烷菌群多样性分析基本一致。基于不同目标基因的优势产甲烷菌群系统发育种属的分析结果大体相似,产甲烷杆菌目和产甲烷八叠球菌目是厌氧颗粒污泥样品中的优势产甲烷种群；同时分析结果的差异表明两种目标基因的检测特异性不完全相同,但具有可替换性。对同一种污泥样品基于不同探针的产甲烷菌FISH杂交结果表明：产甲烷菌分布形态相同,但相对丰度存在差异,相对丰度由小到大的顺序为:mcrA<F420<mtr <16SrRNA,这表明不同探针对产甲烷菌的特异性有差异。不同颗粒污泥样品之间的相对丰度也有差异,所有探针杂交结果显示,处理淀粉废水的颗粒污泥样品的产甲烷菌的相对丰度均高于处理阿维菌素废水的相对丰度。这可能是由于废水中阿维菌素的残留对产甲烷菌群产生一定抑制作用。基于产甲烷菌群分析的结果,考察与阿维菌素结构类似的红霉素和典型抗生素链霉素对处理淀粉废水和处理阿维菌素废水污泥样品的产甲烷活性的影响,结果表明：链霉素对两种污泥样品的产甲烷菌和产酸菌都有明显抑制作用,对产甲烷菌的抑制作用表现为产甲烷过程滞后和产甲烷速率的降低。链霉素浓度不同时,对微生物的抑制程度也不同,对处理淀粉废水和处理阿维菌素废水的污泥样品中产甲烷菌的半抑制浓度分别为2.05 mg·L-1和7.49mg·L-1。红霉素对处理淀粉废水的颗粒污泥样品中的微生物也具有抑制作用,表现为低浓度（<10mg·L-1）下,对产酸菌的抑制作用较强,而在高浓度（>20mg·L-1）条件下,对产甲烷菌的抑制作用较强。由于红霉素与阿维菌素具有相似的结构,因而红霉素对处理阿维菌素废水的污泥样品中的微生物的抑制作用较弱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 工业化厌氧颗粒污泥
• 1.1.1 厌氧颗粒污泥的基本性质
• 1.1.2 厌氧颗粒污泥的形成机理
• 1.1.3 厌氧颗粒污泥的形成条件
• 1.1.4 影响厌氧颗粒污泥生物活性的因素
• 1.2 厌氧颗粒污泥中重要菌群
• 1.2.1 发酵细菌
• 1.2.2 产乙酸菌
• 1.2.3 产甲烷菌
• 1.3 产甲烷菌群研究现状及进展
• 1.3.1 传统分析方法
• 1.3.2 基于16SrRNA基因的分子生物学分析方法
• 1.3.3 基于功能基因的分子生物学分析方法
• 1.4 本课题研究内容与意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究目的与意义
• 第2章 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 颗粒污泥总DNA提取方法
• 2.2.2 聚合酶链式反应（PCR）
• 2.2.3 变性梯度凝胶电泳（DGGE）
• 2.2.4 DGGE图谱条带多样性分析
• 2.2.5 荧光原位杂交
• 2.2.6 厌氧颗粒污泥产甲烷活性测定
• 2.2.7 厌氧颗粒污泥沉降型测定
• 2.2.8 厌氧颗粒污泥强度测定
• 第3章 产甲烷菌群结构PCR-DGGE分析
• 3.1 各污泥样品的总DNA提取和PCR扩增
• 3.1.1 总DNA提取
• 3.1.2 基于不同引物的PCR扩增
• 3.1.3 PCR产物的DGGE分析
• 3.3 产甲烷菌群系统发育分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 产甲烷菌群分布的FISH分析
• 4.1 产甲烷菌群在污泥样品表面的分布
• 4.1.1 处理阿维菌素废水污泥样品
• 4.1.2 处理淀粉废水颗粒污泥样品
• 4.2 产甲烷菌群的相对丰度
• 4.2.1 基于16S rRNA基因
• 4.2.2 基于mcrA功能基因
• 4.2.3 基于mtr功能基因
• 420功能基因'>4.2.4 基于F₄₂₀功能基因
• 4.3 影响产甲烷菌群相对丰度因素
• 4.3.1 探针的选择
• 4.3.2 污泥样品的选择
• 4.3.3 污泥样品所处的时期
• 4.4 本章小结
• 第5章 抗生素对产甲烷菌生物活性的影响
• 5.1 抗生素对处理阿维菌素废水污泥样品的产甲烷活性影响
• 5.1.1 链霉素的影响
• 5.1.2 红霉素的影响
• 5.2 抗生素对处理淀粉废水污泥样品的产甲烷活1性影响
• 5.2.1 链霉素的影响
• 5.2.2 红霉素的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢