含盐榨菜废水处理系统中微生物群落演替

摘要

榨菜废水中的高盐分影响微生物的细胞渗透压，破坏酶的代谢活性，增大水体密度以致不能泥水分离，是其生物处理的难点，目前尚未开发出性能高效、运行稳定的处理工艺。顺应三峡库区榨菜废水处理需求，研发了一种高效、低耗的新型生物转笼工艺，将中试装置搭建于重庆鱼泉榨菜公司废水处理站运行。本课题就该中试装置启动过程和负荷提升阶段的微生物群落结构变化采用传统生物学手段（光学显微镜镜检）、现代分子生物学技术（PCR-DGGE、MiSeq）进行检测分析，以把握该工艺启动的生物学特性。
　　反应器启动时进行水质监测，新型生物转笼工艺比传统的转盘工艺具有更强的有机物去除率；转笼二的成功启动表明转笼高效去除COD和脱氮的能力。跟踪反应器启动进程，观察转盘前端长期处于膨胀类丝状菌占优，而转笼具有更强的适应性，生物膜较为密实，好氧、厌氧区域分明；只有转笼二末端观察到了轮虫，表明形成了良好的生物膜微生物生态系统。DGGE图谱中各泳道电泳结果差异很大，生物膜样品与接种污泥的相似性最高仅为57.7％，但各反应器末端与接种污泥的相似性均高于前端，丰富度和H指数呈同样趋势；按Complete Linkage算法对样品进行聚类，结果表明反应器对菌种的“智能化”筛选。
　　进水负荷提升至4.5kg COD/(m3填料·d)时，新型生物转笼反应器仍然具有高效去除COD和脱氮的能力；废水中可能存在一部分难生物降解有机物，可作为进一步提升废水处理效能的切入点；随反应器运行进程镜检观察到多种原、后生动物，符合生物相变化规律。低、中负荷时，反应器沿程生物膜样品与接种污泥的相似性递增，但高负荷时可能由于营养成分充足，原本未在接种污泥中占据优势的微生物得以大量繁殖，增大了末端样品的丰富度和H指数，降低了与接种污泥的相似性；同一工艺的水处理功效与反应器前后端相似性呈负相关；对于水处理系统微生物体系而言，反应器类型对微生物群落结构影响的权重高于进水负荷对其影响的权重。将序列上传至GenBank注册，并与NCBI基因库进行比对，所有序列均能在基因库中找到同源性较高的菌种；Uncultured Firmicutes bacterium等13种菌一直存在于接种污泥和反应器中，Uncultured Chlorobi bacterium等6种菌随着负荷提升而被反应器淘汰，Uncultured Thiothrix sp.等8种菌随着反应器的运行进程逐渐占据优势地位；反应器运行过程中参与硝化过程的功能菌是Nitrospira sp.和Beta-proteobacterium，参与反硝化过程的功能菌是 Uncultured Flavobacterium sp.和Azoarcus sp.。
　　利用MiSeq研究高负荷稳定运行时期微生物群落结构。物种丰富度排序为接种污泥<转笼前端生物膜<转笼中端、末端生物膜，样品群落多样性排序为转笼前端生物膜<接种污泥<转笼中端、末端生物膜。β多样性分析将样品分为接种污泥、转笼前端生物膜、转笼中端和末端生物膜三大部分，三部分点间距离大，群落信息具有足够的差异；维恩图得到100个核心OTU，但接种污泥中39个OTU在反应器中被淘汰；转笼中端产生了5个新OTU，末端出现了3个新OUT。所有OUT代表序列在门(Phylum)水平得到30个结果，在各样品中占据最大比例的是以下6类： Actinobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Planctomycetes、Proteobacteria。各样品在属(Genus)水平得到250个结果，接种污泥中最具优势的属是Denitromonas、Flavobacteriaceae和Bizionia；转笼前端优势菌属前三位是Arcobacter、Azonexus、Thauera；中端优势菌属前三位是 Anaerolineaceae、Anaerolineaceae、Comamonadaceae；末端优势菌属前三位是Anaerolineaceae、Nitrosomonas、Thauera。接种污泥中，硝化功能菌属和反硝化功能菌属的比例分别为0.69%和19.26%；转笼反应器沿程硝化功能菌的数量为0.70%、6.88%、11.52%，反硝化功能菌的数量为18.14%、12.22%、15.90%。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 含盐废水处理研究现状

1.3 微生物研究手段在废水处理系统中的应用

1.4 本文研究目的与内容

2 生物转笼启动阶段微生物群落特征

2.1 材料与方法

2.2 结果与讨论

2.3 结论

3 生物转笼负荷提升阶段微生物群落演替

3.1 材料和方法

3.2 结果与讨论

3.3 结论

4 生物转笼高负荷运行阶段菌群探究

4.1 材料和方法

4.2 结果与讨论

4.3 结论

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录