应用DGGE监测SBR启动及恶化期微生物群落结构与演替

摘要

生物除磷系统是一个复杂的微生物群落,探明其中微生物的种类及组成对认识除磷过程,保证反应器的良好运行具有重要意义。纯培养研究很难准确把握反应器内微生物的实时、有效的信息,分子生物学技术如PCR扩增,变性梯度凝胶电泳,荧光原位杂交等得到越来越广泛的应用。本研究利用参数优化后的DGGE技术分析了SBR生物除磷系统启动期和恶化期微生物群落结构及演替,可以为今后的微生物研究和工艺运行提供参考。本研究监测了SBR除磷反应器启动过程微生物群落结构与演替。启动过程历时30天。前15天磷去除率较低,其原因可能在于Type 0803 filamentous bacterium和Uncultured alpha proteobacterium对聚磷菌的竞争抑制作用,同时功能微生物——聚磷菌数量较少所致。启动过程15天至30天磷去除率增长迅速,此阶段Tetrasphaera elongate , Gemmatimonas aurantiaca和Uncultured gamma proteobacterium这些功能微生物大量存在,同时Candidatus Competibacter phosphatis等起竞争抑制作用的微生物数量较少甚至消失。此时反应器内含量较多的微生物种群为Thauera sp.,Uncultured gamma proteobacterium,Tetrasphaera elongate等类群。本研究选取处于恶化期的第81天上清液,排泥和混合液的污泥样品进行DGGE分析。结果表明,上清液与排泥的微生物类群基本相同,而各种微生物的相对数量有所差别,排泥与混合液的DGGE图谱基本相同。恶化期含量较多的微生物种群为Uncultured bacterium clone SBRQ157 ,Uncultured actinobacterium clone GCP18 , Tetrasphaera elongata和Candidatus Competibacter phosphatis clone SBRQ22。其中Candidatus Competibacter phosphatis clone SBRQ22含量最多,为造成除磷效果恶化的重要原因。本研究比较了反应器启动末期和恶化期的微生物群落结构,发现其群落结构差别很大,但是其中的功能微生物基本相同,都为Tetrasphaera elongate和Gemmatimonas aurantiaca。同时,反应器启动末期Candidatus Competibacter phosphatis clone SBRQ22很少,对聚磷菌的抑制作用有限,而恶化期其数量在群落中最多。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的和意义

1.2 生物除磷的机理研究

1.2.1 乙酸盐为碳源的生物除磷机理

1.2.2 其他碳源的生物除磷机理

1.2.3 反硝化除磷机理

1.3 强化生物除磷的功能微生物

1.3.1 聚磷菌

1.3.2 聚糖菌

1.4 DGGE 技术在生物除磷中的应用

1.4.1 DGGE 技术

1.4.2 DGGE 技术在生物除磷中的应用

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 实验装置

2.2 主要仪器设备

2.3 试验所用试剂及配制

2.4 DGGE 电泳过程

2.4.1 污泥样品的准备和基因组DNA 的提取

2.4.2 污泥样品的准备和基因组DNA 的提取

2.4.3 DGGE 电泳

2.4.4 DGGE 图谱目的条带的克隆测序

2.5 DGGE 电泳条件优化

2.5.1 电泳时间对DGGE 电泳效果的影响

2.5.2 PCR 扩增退火温度对DGGE 电泳效果的影响

2.5.3 PCR 产物上样量对DGGE 电泳效果的影响

第3章 生物除磷系统启动期微生物群落结构与演替

3.1 SBR 反应器的启动运行

3.1.1 SBR 反应器启动期工艺运行参数

3.1.2 SBR 反应器启动期运行效果

3.2 启动期污泥样品的DGGE 电泳

3.2.1 污泥样品的准备与基因组DNA 的提取

3.2.2 污泥样品DNA 16S rDNA 的PCR 扩增

3.2.3 污泥样品PCR 扩增产物的DGGE 电泳

3.3 DGGE 电泳及序列比对结果

3.3.1 DGGE 电泳结果

3.3.2 DGGE 图谱条带的序列比对结果

3.4 结果分析

3.4.1 SBR 反应器启动过程的微生物群落演替

3.4.2 反应器启动过程的功能微生物及稳定时期微生物群落结构

3.5 本章小结

第4章 生物除磷系统恶化期微生物群落结构

4.1 生物除磷系统恶化期SBR 反应器的运行

4.2 DGGE 电泳及序列比对结果

4.2.1 DGGE 电泳

4.2.2 DGGE 图谱条带的序列比对结果

4.3 结果分析

4.3.1 反应器恶化期不同空间位置微生物群落结构差异

4.3.2 反应器恶化期的功能微生物及微生物群落结构

4.3.3 反应器启动末期与恶化期微生物群落结构比较

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢