给水预处理生物膜反应器中氨氧化菌群落的季节变迁研究

摘要

随着工业的发展和人类活动的加剧，城市给水水源水体污染越来越严重，对人体健康造成了巨大的威胁。在传统的饮用水处理工艺中，原水中高浓度的氨氮会大大增加需氯量，使水产生臭味，而出水中氨氮的存在也会使管网中的自养菌大量繁殖，影响水质。由于氨氮在传统的饮用水处理工艺中很难被去除，因而生物预处理工艺是解决这一问题最经济有效的方法之一。氨氧化菌是一类化能自养菌，负责将氨转化为亚硝酸盐氮，是生物脱氮的关键步骤。在不同的处理工艺和外界环境条件下，氨氧化菌的种群、数量和代谢活性等方面都不同，各菌种之间形成一个动态的平衡体系，这个体系的存在直接影响、决定了反应器的运行效率。 因此，研究反应器内氨氧化菌群落和数量的全年变迁十分有意义。 本研究以上海航头自来水厂生物预处理反应器内的生物膜为样品，利用分子克隆（16S rRNA基因片段）和割胶回收（amoA基因片段）等技术对生物膜样品内的氨氧化菌种群进行分析；通过CTO-DNA-DGGE，CTO-RNA-DGGE和amoA-DNA-DGGE，amoA-RNA-DGGE 分别揭示了全年反应器内总的和有活性的氨氧化菌群落的变化；并由实时荧光定量PCR 得出了反应器内总细菌和氨氧化菌数量的全年变化。 研究结果表明，反应器内的氨氧化菌有三类，一类属于Nitrosomonasoligotropha 进化枝，一类属于Nitrosomonas communis 进化枝，另一类是未知的新氨氧化菌种，但在16S rDNA和amoA基因的系统进化树上处于不同的发育地位。由CTO 片段揭示出的氨氧化菌的多样性偏向于Nitrosomonas oligotropha，而由amoA 片段揭示出的氨氧化菌的多样性则偏向于Nitrosomonas communis 。这体现了CTO-16S rDNA和amoA基因这两种分子标记在揭示氨氧化菌多样性及系统发育地位上的差异。基于CTO-DGGE和amoA-DGGE 图谱均得到了氨氧化菌群落相似的季节性变化规律，并以CTO-DGGE 图谱更明显：Nitrosomonas oligotropha-like的氨氧化菌的序列偏好在冬季出现，而Nitrosomonas communis-like的氨氧化菌序列在夏季更容易被检测到。其中，由RNA 揭示出的活性氨氧化菌群落表现出了更明显、更强烈的季节性变迁。定量研究显示：总细菌的平均量在1.27×10 11±1.16×10 11细胞/克干生物膜，总氨氧化菌的平均数量为1.02×10 9±9.76×10 8细胞/克干生物膜，占总细菌的0.23-1.8％，并且在 12月份时的数量最少。 统计学分析表明，全年的温度变化既影响了氨氧化菌的群落，也影响了其数量；进水中的pH 值变化只影响氨氧化菌的群落变迁，但不影响其数量；而氨氧化菌的数量与氨氮去除率直接相关，其菌群数量越多，氨氮去除率越高，出水氨氮值越低。此结论为提高反应器在冬季的除氮效果提供了参考方向。