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A+OSA污泥减量工艺微生物群落结构及代谢特征研究

宁欣强  
【摘要】:随着我国经济快速发展以及城市化进程的加速,污水处理量的剧增导致大量剩余污泥产生。剩余污泥原位减量技术能够保证污水处理工艺出水排放满足要求的情况下实现污泥产量的减少。好氧-沉淀-厌氧(oxic-settling-anaerobic,OSA)污泥原位减量工艺由于具有污泥减量效果明显、工艺简单、能耗低等特点从而成为研究热点之一。由于OSA工艺污泥减量内部驱动机制仍存在争议,阻碍了工艺过程的优化控制以及在工程实践中的应用。现阶段关于OSA工艺污泥减量机制的研究,多基于污泥减量效能层面的分析。尽管减量机制中污泥衰减在OSA工艺中起主导作用已得到普遍认可,但并未获得直接证据证明。前期由于相关技术方法的限制,对于OSA工艺污泥减量过程微生态研究相对较少。而对OSA工艺减量过程微生物群落变化特征以及代谢特征进行分析,不但可以获得OSA工艺污泥衰减机制的直接证据,同时能够对减量过程可能存在的功能相关微生物进行鉴定以及微生物群落代谢机制进行分析,从而从微生物学角度对工艺优化控制以及污泥减量效果的强化提供参考。论文以A+OSA污泥减量工艺为研究对象,研究了A+OSA工艺污泥减量过程污泥微生物群落特征,探明了污泥减量过程的微生物代谢作用机理。A+OSA工艺污泥减量实为工艺本身产生微生物生物量的减少,其中活性微生物生物量以及群落结构的变化分析能够解释污泥衰减的发生以及与污泥减量相关的微生物类群。基于污泥微生物细胞磷脂质脂肪酸含量变化,对A+OSA污泥减量工艺活性微生物生物量以及群落变化进行定量分析。污泥减量工艺活性微生物的生物量在贮泥池中明显减少,活性微生物群落结构与参照工艺相比分属于两个不同的族类,从而证实了减量工艺中污泥衰减的发生。减量工艺贮泥池发生衰减的相关微生物类群主要为G-菌和好氧菌,同时减量工艺真菌的生长受到了抑制。对A+OSA污泥减量工艺细菌以及真核生物群落组成和相对含量变化进行分析,能够明确减量工艺污泥衰减过程微生物种类变化特征,从而解析污泥减量过程被减量的微生物种类以及可能存在的减量功能相关的微生物种类。基于高分辨的高通量测序技术对A+OSA污泥减量工艺细菌以及真核生物群落进行定性定量分析,结果表明减量工艺贮泥池由于发生污泥衰减,其细菌群落以及真核生物群落多样性均有所降低;细菌群落丰富度基本不变,真核生物的群落丰富度有所提高。减量工艺细菌群落由于贮泥池的插入,其群落结构均一性得到提高,与参照工艺细菌群落分属于两个不同的族类。对比参照工艺细菌群落组成及相对含量变化,优势菌群β-proteobacteria是减量工艺中主要被减量菌群,而厌氧水解发酵菌Sphingobacteria在减量工艺中贮泥池中得到富集,其可能是减量功能相关细菌。减量工艺贮泥池中真核生物Oligohymenophorea成为优势菌群,说明生物捕食作用的污泥减量机制可能存在于减量工艺中。A+OSA污泥减量工艺中由于污泥微生物在贮泥池内的衰减从而使工艺污泥产量减少,同时有微生物能够在贮泥池得到富集,其可能是污泥减量功能相关微生物。通过模拟贮泥池的生境对减量工艺以及参照工艺污泥微生物进行批次培养分析,则能够确认功能相关微生物的类群。对参照工艺以及减量工艺污泥样品在贮泥池厌氧贫养条件下进行批次培养,并对细菌群落的动态变化进行分析,结果表明厌氧贫养条件对参照工艺细菌群落影响更为显著,而减量工艺污泥细菌群落则表现出抗厌氧贫养环境的能力。两工艺污泥细菌种类相对含量减少最为显著的菌群为β-proteobacteria,而厌氧水解发酵菌Sphingobacteria能够利用污泥衰减产生的二次基质得到富集,从而证实Sphingobacteria为减量工艺功能相关微生物。A+OSA污泥减量工艺贮泥池污泥微生物的衰减以及水解发酵型微生物对衰减产生的二次基质的利用使其污泥产率降低。减量工艺微生物代谢分析能够解释污泥衰减过程微生物的代谢机制。对A+OSA污泥减量工艺宏基因组进行高通量测序分析,利用COG分类系统对减量工艺微生物基因组进行功能基因划分,基于基因水平的代谢机制中细胞运动性,细胞信号传导机制,碳水化合物的转运代谢和氨基酸转运代谢相关功能基因比例增高,而微生物细胞膜壁合成以及重组修复机制相关功能基因比例减少。减量工艺微生物基因水平代谢机制的变化有利于贮泥池中减量微生物的溶胞衰减,同时促使功能性微生物在贮泥池生境下对底物的利用。基于分子水平的微生物细胞胞内代谢物分布分析,对减量工艺微生物代谢过程进行研究发现,减量工艺与参照工艺微生物胞内主要差异性代谢物为有机酸类物质、氨基酸类代谢物质以及部分核苷酸类代谢物质和胺类物质。减量工艺胞内用于合成能源性贮存物质的有机酸类单体3-羟基丁酸以及2-羟基丁酸含量减少,使减量微生物而易于溶胞衰减。氨基酸类代谢物质,核苷酸类代谢物质以及胺类物质含量在减量工艺微生物胞内增多能够促使微生物细胞抵抗贮泥池不利生境的影响。分子水平胞内代谢物分析与基因水平的代谢调控分析之间相互补充印证,对A+OSA污泥减量工艺污泥微生物衰减过程的微生物代谢机制进行了解析。


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