工业废水生物处理系统中微生物群落组成分析及氮转化功能基因的定量研究

摘要

本研究以印染废水小试系统和安阳化肥厂的实际废水处理系统为研究对象,研究了各个系统中的微生物生态以及化肥厂的废水处理系统生物脱氮过程中的关键基因,为阐明系统的废水处理机制和提高两个系统的废水处理效率提供理论依据。
　　 在对印染废水嗜碱细菌-真菌组合小试处理系统的微生物群落研究中主要取得如下进展:
　　 (1)嗜碱性PVA降解纯菌种的分离与分子生物学鉴定:从活性污泥中分离的15株单菌株在pH=10下,24h内,对800mg L-1的PVA都有一定的降解作用,其中有4株的降解能力在30％以上,降解能力最强的是AMP-13,对PVA的去除率为39.8％。这15株单菌株进行16S rDNA进行测序分析后,分为4大类,其中有8株菌在放线菌纲(Actinobacteria)中,有3株菌在芽孢杆菌纲(Bacilli)中,有1株菌在a-变形菌纲(Alphaproteobacteria)中,有3株菌在γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)中。去除PVA效果最好的AMP-13鉴定为假单胞菌属(Pseudomonas)。
　　 (2)对嗜碱性混合菌群构建的印染废水脱色处理小试反应系统进行了微生物群落结构的动态追踪和研究:从细菌PCR-DGGE分析中发现,不同时期的条带有明显的差异,群落结构变化很大。从DGGE上切下的22个序列基本分布在放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)中,另外2株菌株未分类到任何一个已知的类群当中。而最初从混合菌群中分离得到的具有降解PVA作用的15株菌在反应器运行过程中的DGGE中有3株被检测到。
　　 (3)利用脱色混合真菌构建脱色处理系统,对嗜碱细菌处理的出水进一步脱色处理,并利用PCR-DGGE分析真菌反应器中微生物群落结构特征和动态变化,结果表明,真菌反应器运行的各个时期条带都很少,多样性较低。从DGGE上切下的11个序列经过比对发现,可分为5簇,与最初接种的混合真菌相比,没有菌群可以持留在反应器中。
　　 对实际运行的A2O2(厌氧-厌氧-微氧-好氧)工艺的安阳化肥厂废水处理系统的微生物群落结构研究主要取得以下进展:
　　 (1)利用传统培养的方法对在A2O2工艺各处理单元中细菌总数和功能性细菌数进行培养计数,结果表明,细菌在活性污泥中占着绝对的数量优势,在微氧池中最高,达到了为1.40×1012 CFU g-1；亚硝化和硝化细菌的MPN计数显示,微氧池的亚硝化细菌含量最高,为3.03×1010 g-1,而且硝化细菌的含量次之,为3.03×1012 g-1；好氧池中的硝化菌的含量最高,为9.12×1012 g-1,而且亚硝化的含量次之,为2.4×1010 g-1。
　　 (2)利用PCR-DGGE对各单元的细菌群落结构进行研究,结果表明,不同的处理单元保持了细菌的群落的相对稳定性,各个单元之间的相似性在70％以上。切下的16个序列主要分布在5个大类中,分别是鞘脂杆菌纲(Sphingobacterial)、a.变形菌纲(Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、d-变形菌纲(Deltaproteobacteria)和Candidate division。
　　 (3)应用荧光定量PCR技术研究处理系统的各个处理单元中与氮转化相关基因的含量,结果表明,amoA、narG、nirS和nosZ的最高含量都在好氧池中,分别达到3.06×1011g-1、2.22×109 g-1、1.2×1010 g-1和1.77×1010 g-1。但是,由于narG的含量低,造成了NO3-的累积,使总氮去除率受到影响。
　　 (4)构建上述与氮转化相关的各功能基因的克隆文库,并进行序列多样性分析,结果表明,amoA的序列单一,都属于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)。而反硝化的功能基因的narG、nirS和nosZ的种类十分丰富,有很多尚未鉴定到种属,说明了活性污泥中有很高的微生物多样性。同时发现有很多序列与好氧反硝化菌有关联,证明系统中除了兼性厌氧菌进行反硝化作用,还有好氧菌的反硝化作用。