活性污泥和农田土壤系统中硝酸盐异化还原成铵细菌群落组成的研究

摘要

以往对硝酸盐异化还原成铵过程（Dissimilatory nitrate reduction to ammonium， DNRA）的研究，主要集中在海洋、河口、浅滩沉积物和湿地土壤等环境中，对城市污水处理厂活性污泥系统及典型旱地农田土壤生态系统中的DNRA鲜有研究；DNRA过程与反硝化过程共同竞争底物NO3--N，且最近研究发现DNRA对NO3--N的去除起到不可忽视的作用。本论文针对 DNRA 过程的功能基因 nrfA 和全细菌16S rRNA进行高通量测序，对活性污泥和农田土壤样品中DNRA细菌群落组成、菌群多样性、及其与环境因子的相关性进行研究分析。为不同的环境中DNRA的研究提供依据，进一步探讨DNRA的分布规律。 选取我国不同纬度的城市污水处理厂中8个活性污泥样品，通过对DNRA细菌的功能基因nrfA进行克隆，发现8个污泥样品中均存在DNRA细菌。进一步对nrfA 基因进行高通量测序，质控后每个样品得到 16 万条序列，在相似度≥90%条件下划分得到11847个OTUs，选取其中丰度较高的268个代表OTUs进行生态学分析。分析发现：CQ和GZ，CC和TP，BJ-1、BJ-2和BJ-3之间群落结构较为相似；热图与 β-多样性分析，共同说明了样点地理环境差异对城市污水厂内 DNRA细菌群落组成影响较大。对代表OTUs进行分类，共注释到10个门（Phylum）， 30个属（Genus）。其中相对丰度最高的三个属为Nitrospira（22.28%）、Candidatus Brocadia（13.28%）和 Anaeromyxobacter（13.08%），表明三者在群落组成中占主导地位；且Network网络分析表明：Nitrospira属在城市污水厂的DNRA菌群落中起着重要作用。实时荧光定量PCR（qPCR）结果表明：活性污泥中，DNRA功能微生物在全细菌中的占比为0.18%~3.94%，低于反硝化细菌含量（0.68%~10.06%）。进一步通过全细菌16S rRNA高通量测序分析发现：包含nrfA功能基因的DNRA功能微生物的相对丰度（5.27%）低于具有反硝化功能的微生物数量（17.15%）。DNRA细菌相对丰度主要和进水中的总氮和氨氮含量及污泥的MLSS、VSS、TC、TN和TS性质有具有显著相关性。 旱地农田土壤分为根际和非根际、四种典型农作物共16个样品，质控后每个样品得到87000条序列，在相似度≥90%下划分到27952个OTUs，选取其中丰度较高的258个代表OTUs进行生态学分析。多样性分析（OTUs水平）结果表明：3/4的作物根际土壤样品中的DNRA群落丰富度、物种多样性和物种均匀度高于相应非根际样品，对比四种作物，粟作物根部土壤DNRA群落多样性最高，玉米作物非根际土壤最低。对代表OTUs进行分类，共注释到6个门，19个属。其中相对丰度最高的三个属为Hyalangium（29.31%）、Chthoniobacter（20.33%）和Nitrospira （13.41%）。结合土壤理化因子分析，DNRA群落相对丰度与NO2--N、TN、含水 率、TOM、pH及温度呈显著相关关系。 本研究在一定程度上揭示了DNRA细菌群落在污水厂活性污泥和旱地农田土壤中的分布规律，及其与环境因子相关性。目的为提高污水中氮去除效率、提高氮肥的利用效率和减少温室气体N2O的释放、减小环境污染、完善全球氮循环过程等提供有效的理论依据。

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