工业化厌氧颗粒污泥中的重要菌群及其种群多样性研究

【摘要】：工业的快速发展使我国废水处理面临越来越多的挑战。生物处理技术是废水处理的重要组成部分。目前，厌氧处理工艺得到了越来越多的关注，厌氧颗粒污泥技术也得到了广泛的研究和应用。厌氧反应器高效和稳定运行的关键在于能形成微生物适宜、活性高、沉降性能良好的颗粒污泥。厌氧颗粒污泥是由细菌和古菌等组成的复杂微生物群落，其特性和功能主要由其内在微生物群落的结构和功能决定。 本研究以取自工业化UASB反应器中处理阿维菌素和维生素B12废水的厌氧颗粒污泥为对象，采用PCR-DGGE、构建基因克隆文库等分子生物学手段，对厌氧颗粒污泥中古菌和细菌的组成进行研究，考察了厌氧颗粒污泥中菌群的种群多样性、系统发育关系和相对丰度等微生物学信息，研究获得以下结果： 对处理维生素B12和阿维菌素的两种厌氧颗粒污泥以古菌270为引物进行PCR-DGGE，其获得的DGGE图谱存在差异，并且根据图谱计算所得两种污泥中古菌菌群的Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数和Berger-Parker优势度指数有所差异，处理维生素B12废水的污泥样品的古菌菌群相对于阿维菌素污泥样品显示出了更高的多样性和丰富度。造成差异的原因可能是两种不同的工业废水的性质有所不同，比如不同的成分和环境压力可能影响古菌菌群的生长和分布。 对两种污泥DGGE图谱中的DNA条带进行回收纯化、PCR扩增并测序，将测序结果与NCBI数据库进行比对，确定两种污泥中的优势古菌菌群。结果显示，两种污泥中的优势古菌菌群均为产甲烷菌。并且，两种污泥中的优势菌群均为产甲烷八叠球菌目产甲烷鬃菌属，显示出此菌在颗粒污泥中的重要性。处理维生素B12废水的颗粒污泥样品中甲烷八叠球菌为优势菌群，其中甲烷鬃菌和甲烷食甲基菌为八叠球菌群的两个主要菌属。在处理阿维菌素废水的颗粒污泥样品中，甲烷杆菌目和甲烷八叠球菌为其优势古菌菌群，且甲烷杆菌相对丰度略低于甲烷八叠球菌。两者建立起的系统发育树也有不同。 采用构建16S rRNA克隆文库方法以细菌433作为引物对阿维菌素污泥的细菌种群多样性进行研究。随机挑选了63个克隆子并进行序列，序列经Blast比对后结果表明，此厌氧颗粒污泥中微生物群落具有高度多样性，可分为7个主要类群：其中，放线菌门和厚壁菌门类群在文库中所占比例最大，分别为37.73%和26.42%。其次分别是δ-变形菌门类群（deltaproteobacterium）、绿弯菌门类群（Chloroflexi）和酸杆菌门类群（Acidobacteria）,分别为7.55%、7.55%和5.66%；拟杆菌门（Bacteroides）、及脱铁杆菌门（Synergistetes）类群所占比例相对较小，均为3.77%。以古菌660引物构建阿维菌素颗粒污泥的古菌克隆文库，结果显示，此厌氧颗粒污泥中的优势产甲烷菌群为产甲烷鬃菌属（属于产甲烷八叠球菌），此外还含有少量的产甲烷杆菌。与PCR-DGGE所测菌群相同，但含量有所不同。 对维生素B12颗粒污泥样品以古菌660为引物构建其古菌克隆文库，挑选阳性克隆子进行测序，将测序结果比对后得到：污泥中含有的古菌菌群均为产甲烷菌群，且优势菌群为产甲烷鬃菌属（属于产甲烷八叠球菌），含有少量的产甲烷微菌属和产甲烷杆菌属，与PCR-DGGE的分析结果基本一致。 测量两种污泥样品的产甲烷活性，并分析产甲烷活性与污泥菌群结构的关系。结果显示，处理维生素B12废水的厌氧颗粒污泥的产甲烷活性和COD去除率均高于处理阿维菌素废水的颗粒污泥。这个结果表明，产甲烷八叠球菌可能对宏观生物活性的贡献更大。