SUFR系统中微生物多样性及稳定性的试验研究

摘要

螺旋升流反应器(Spiral Up-Flow Reactor, SUFR)是一种新型污水处理反应系统,系统中的螺旋推流流态能提高基质的浓度梯度,为多种微生物提供了相对固定的生态位,其间以传统纯培养法尚不能培养和鉴定的部分微生物对系统处理效果起着重要作用。论文通过对SUFR系统污水微生物培养的深入研究,首次系统和完整地分析了污水及SUFR系统中微生物低可培养性和复苏障碍,创立了一种促进污水微生物培养的新方法—“近自然纯培养法”(发明专利ZL200410037037.8)。利用微生物技术及分子生物学手段,在全面分离、纯化和鉴定微生物种群的基础上,着重对SUFR系统中微生物的多样性、稳定性进行了深入研究。通过对聚磷菌染色和吸/释磷盐分析,寻找到部分PAOs和非PAOs菌群,获得了目前尚未见报道的聚磷菌新种属,并用16SrRNA法初步鉴定为一株Tsukamurella spp.。在此基础上,论文同时对SUFR系统微生物的种群动态、生态因子影响、稳态分析等进行了探索,分析了SUFR系统在DO、pH值、低温(5～20℃)等生态因子影响下运行时的种群动态,获得SUFR系统部分种群得特征和动态资料,验证了部分假说,为完善和完整解读SUFR系统提供了基础。论文的主要研究的内容及成果如下:创立近自然纯培养法,从SUFR系统中共分离到细菌34种,初步鉴定和研究了21种。采用16S rRNA法获得了主要PAOs种群的基因序列,最终鉴定为微杆菌属、芽孢杆菌属、家村氏菌属等。对系统中微生物群落采样研究发现,其中约20％的微生物可用常规纯培养方法培养出来。在纯培养的环境中,微生物共同协作的自然生存方式崩溃、长期高度自然适应性与纯培养猝然营养变化的冲突、种群依赖性与隔绝式纯培养的冲突和生态位急剧变化的冲突等是SUFR系统微生物可培养性低的主要原因。采用染色方法对聚磷菌进行了聚合物(PHB和Poly-P)聚积情况研究,并作为聚磷菌鉴别实验的定性依据之一。与吸/释放磷酸盐实验结合,判定了12,22,23,29,44,48号等菌株具有聚磷菌特征。对聚磷细菌进行吸/释磷实验时,利用乙酸盐作碳源比葡萄糖试验效果更佳。不同DO对SUFR系统中微生物分布有较大影响,分离到微生物种群以厌氧带微生物可培养性最强,多为异养发酵细菌类型。但指纹图谱却表现出DO相似性较高,这说明DO主要影响细菌的生理活性,很多细菌是处于活的但不能在实验室鉴定和培养状态。入水pH值对SUFR反应器的菌群结构有较大影响,特别是对PAOs/GAOs比的影响较大。低温的冲击会影响到菌群结构,聚类分析表明低温冲击后优势菌群变得单一,但仍维持了系统的稳定运行;在温度回升后,反应器中优势菌群得到迅速恢复,同时增强了系统功能。试验发现并证实,SUFR系统经过长时间稳定运行,系统中具有丰富的微生物多样性,优势菌群稳定,有较明显的反硝化除磷现象,部分解决反硝化细菌与聚磷菌对碳源竞争的矛盾,为该系统优良的除磷脱氮性能和生态稳定性提供了保证。本研究受国家自然科学基金项目“基于理想流态的城市污水生物处理反应技术研究”(50378095)和重庆大学骨干教师基金(No.716411045)的资助。

目录

摘要

ABSTRACT

1 前言

1.1 污水生物除磷脱氮原理

1.1.1 生物除磷的机理

1.1.2 聚磷菌的研究现状

1.1.3 生物脱氮基本原理

1.1.4 脱氮微生物的研究现状

1.2 SUFR 反应系统

1.2.1 系统构造

1.2.2 SUFR 反应系统运行基本参数及处理效果

1.3 污水生物反应器微生物研究方法

1.3.1 常规法

1.3.2 活性产物测定法

1.3.3 非培养技术

1.3.4 发展中的微生物学研究方法

1.4 论文主要研究目的和内容

1.5 本论文主要简称及缩写

2 SUFR 系统中微生物实验室培养方法的研究

2.1 主要设备仪器、试剂材料及方法

2.1.1 主要设备仪器

2.1.2 培养基

2.1.3 主要试剂及材料

2.1.4 试验方法及实验水质

2.2 污水微生物的实验室可培养性

2.3 污水微生物的复苏障碍分析

2.3.1 共同协作的自然生存方式的崩溃

2.3.2 长期高度的自然适应性与纯培养猝然营养变化的冲突

2.3.3 种群依赖性与隔绝式纯培养的冲突

2.3.4 外源活性物质依赖的冲突

2.3.5 生态位的急剧变化

2.4 提高污水中微生物可培养性的方法

2.4.1 近自然纯培养思路

2.4.2 方法的建立

2.4.3 不同方法的可培养性结果比较

2.4.4 对SUFR 系统微生物培养性的讨论

2.5 本章小结

3 SUFR 系统中的微生物及其多样性

3.1 实验器材及设备

3.1.1 厌氧装置及设备

3.1.2 Biolog 微生物自动鉴定仪

3.2 实验方法

3.2.1 微生物的计数及测量

3.2.2 SUFR 系统中微生物种群的取样和分离纯化

3.2.3 厌氧菌分离培养和鉴定

3.2.4 细菌检验及鉴定的部分生理生化实验

3.2.5 165 rDNA 的序列测定

3.3 SUFR 系统中主要菌群的生理实验及BIOLOG 鉴定

3.4 SUFR 系统中聚磷细菌的分离及其鉴定

3.4.1 聚磷细菌预期的形态及生理特征

3.4.2 SUFR 中部分聚磷菌及其序列分析

3.5 丝状细菌的分离鉴定

3.5.1 丝状细菌鉴定方法

3.5.2 SUFR 系统中丝状细菌检索结果及讨论

3.6 SUFR 系统中微生物多样性

3.7 小结

4 SUFR 系统中聚磷菌种群及多聚物转化

4.1 实验方法及装置

4.1.1 实验其他设备及仪器

4.1.2 培养基

4.1.3 菌体poly-P 的染色鉴定

4.1.4 菌体PHB 的染色鉴定

4.1.5 SUFR 反应系统中聚磷细菌的分离纯化及染色观察

4.1.6 聚磷菌鉴别实验

4.2 SUFR 系统中聚磷微生物染色观察分析

4.2.1 聚磷菌多聚物的染色观察方法

4.2.2 SUFR 系统中聚磷微生物的poly-P 染色鉴定

4.2.3 SUFR 系统中聚磷微生物的PHB 染色鉴定

4.3 SUFR 系统中聚磷菌吸释磷实验

4.3.1 第一阶段实验结果及分析

4.3.2 第二阶段实验结果及分析

4.3.3 第三阶段实验结果及分析

4.3.4 第四阶段实验结果及分析

4.4 小结

5 生态因子对SUFR 系统中微生物群落的影响

5.1 研究微生物群落的实验方法

5.1.1 活性污泥总DNA 的提取

5.1.2 ERIC-PCR 扩增

5.1.3 ERIC-PCR 产物分析

5.1.4 ERIC-PCR 指纹图谱的统计学分析

5.1.5 pH 值测定实验

5.2 不同工况下微生物多样性研究

5.2.1 反应器中不同工况下细菌种群多样性分析

5.2.2 溶氧浓度变化下聚磷细菌的生存与磷吸收

5.3 PH 值对SUFR 系统中微生物种群的影响

5.3.1 SUFR 系统中部分菌群的实际pH 值

5.3.2 不同pH 值下PAOs 与GAOs 菌群关系

5.4 温度变化对SUFR 系统微生物群落演替的影响

5.4.1 低温期水质结果分析

5.4.2 低温期时SUFR 系统菌群多样性分析

5.4.3 低温期时SUFR 系统微生物菌群相似性分析

5.4.4 不同温度条件下菌群指纹图谱比较分析

5.4.5 SUFR 系统的低温稳定性

5.5 小结

6 SUFR 系统的生态稳定性研究

6.1 SUFR 系统失恒期间的微生物种群

6.2 SUFR 系统恢复运行种群动态研究

6.2.1 SUFR 系统恢复运行后基本数据测定

6.2.2 SUFR 系统恢复运行期菌群结构多样性及相似性分析

6.3 SUFR 系统稳态的生物学特征

6.4 SUFR 系统PAOS 与GAOS 种群数量相关性分析

6.4.1 对GAOs 和PAOs 之间的竞争关系主要调查方法

6.4.2 SUFR 系统中的非PAOs 菌群观察

6.4.3 GAOs 和PAOs 生态位的重叠与竞争

6.5 SUFR 系统脱氮细菌群的特征分析

6.5.1 脱氮菌群的分离及测定

6.5.2 SUFR 系统脱氮菌群数量特征

6.6 SUFR 系统中除磷脱氮冲突的协调

6.6.1 除磷脱氮的冲突

6.6.2 硝化细菌自身生存策略的差异

6.6.3 SUFR 系统中除磷脱氮的协调

6.7 小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附录