湖库水体好氧反硝化菌种群结构及其脱氮特性研究

发布时间：2020-10-18 07:47

　　 在运用传统的间歇曝气富集和选择性培养基法筛选好氧反硝化菌的基础上,首次引入超声波预处理沉积物-水悬液,从西安市黑河金盆水库、兴庆公园和长乐公园沉积物中分离筛选出高效好氧反硝化菌群,好氧反硝化细菌和好氧反硝化真菌。并对好氧反硝化菌群脱氮特性及种群结构,好氧反硝化细菌在好/厌氧状态下的脱氮特性以及narG、nirS和nosZ功能基因的表达水平和好氧反硝化真菌的脱氮特性进行研究。进一步,选取西安市区6个典型城市湖泊景观水体作为研究对象,在分析水体水质指标的基础上,运用Illumina高通量测序技术对湖水中的nirS型反硝化细菌种群结构和多样性进行诊断,以期探明城市湖泊景观水体水质与反硝化细菌种群结构多样性的偶联机制。本研究主要成果结论如下:(1)成功筛选出3组高效好氧反硝化菌群H-30,X-10和C-30,并对其好氧反硝化能力进行研究。结果表明,该3组混合好氧反硝化菌群具有高效的脱氮能力,24h后,混合菌群H-30,X-10和C-30总氮(TN)去除率分别达到83.04%,83.40%和82.68%,仅有少量亚硝氮(NO_2~--N)积累。由Illumina Miseq高通量DNA测序可知,3组nirS型好氧反硝化优势混合菌群种群结构差异显著。其中,混合菌群H-30,X-10和C-30的优势菌种分别为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),Paracoccus pantotrophus和斯氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)。其中,斯氏假单胞菌(P.stutzeri)在3组混合菌群中均存在,在H-30、X-10菌群中占比水平相当,而P.xiamenensis仅存在于混合菌种H-30。(2)KK99菌株在好/厌氧条件下,均能进行反硝化作用,且在两种不同的条件下均具有高效的脱氮效率。narG基因的表达量比较低,因此在基因表达水平上,该酶起的作用比较小;而nirS基因和nosZ基因的表达量比较高,但是在好/厌氧条件下的差异比较显著。在厌氧条件下,nirS基因起主要的作用;在好氧条件下,nosZ基因起主要的作用;功能基因的检测解释了菌株在厌氧、好氧条件下均能进行反硝化的原因。同时该菌株还具有同步硝化反硝化能力,在好氧条件下,能同时去除硝酸盐氮和氨氮,24h时,TN去除率为76%。(3)真菌KPL108能够同步进行硝化反硝化反应。在以硝酸盐氮为唯一氮源的反硝化系统中,25h时,硝氮去除率能达到97%,没有亚硝氮积累。反硝化过程的氮平衡分析表明大约92%的初始氮以气体的形式去除。响应曲面实验揭示了脱氮的最优条件是:C/N为6.42,转速为109.68r/min,温度为28.48℃和初始pH值为8.15。对总氮去除率影响最为显著的自变量为初始pH值和温度。结果表明真菌KPL108能够用于微污染水源水库的微生物修复。(4)6个城市湖泊景观水体中,永阳公园水体符合Ⅳ类水标准,而曲江池、木塔寺生态遗址公园、新纪元公园水体符合V类水质标准,丰庆公园和劳动公园水体属于劣V类水。高通量测序结果表明,6个城市湖泊景观水体nirS型反硝化细菌种群结构差异显著。其中,丰庆公园和劳动公园水体的最优势反硝化菌属为副球菌属(Paracoccus sp.);曲江池和永阳公园水体的最优势反硝化菌属为假单胞菌属(Pseudomonas sp.);木塔寺生态遗址公园和新纪元公园水体的最优势反硝化菌属为红长命菌属(Rubrivivax sp.)。通过主成分分析(PCA)可知,城市湖泊景观水体水质指标中的NH_4~+-N和高锰酸盐指数含量是影响新纪元公园和木塔寺公园水体nirS型反硝化细菌种群结构的显著因素;而NO_3~--N、NO_2~--N、TN、TP和DO是影响劳动公园和丰庆公园水体nirS型反硝化细菌的种群结构的显著因素(蒙特卡洛检验,P0.05);水体pH显著影响永阳公园水体nirS型反硝化细菌的种群结构(蒙特卡洛检验,P0.05)。结果表明,西安市典型城市湖泊景观水体nirS型反硝化细菌的种群结构受不同水质指标的综合调控。
【学位单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X172;X524
【部分图文】：

本研究技术路线

器中（KQ-500DE，温度设定为 20℃；超声功率设定为 40％，其额定功率为 500W）处理，处理时间分别为 0、10、20、30、40 和 50s。2.2.2 好氧反硝化菌的初筛在无菌操作台，采用灭菌玻璃棒将菌液搅拌均匀，从用超声波处理过的沉积物-水混合液（菌悬液）中，取 1mL 放置到 9mL 灭菌水的试管中，使其混合均匀，便得到 10-1梯度菌悬液，采用同样的方法，从 10-1梯度菌悬液中吸取 1mL 到含有9mL 无菌水的试管中，得到 10-2梯度的菌悬液，顺序得到 10-3、10-4、10-5、10-6梯度的菌悬液；分别取 0.1mL 的 10-3、10-4、10-5和 10-6菌悬液涂布到 DM 固体平板上，将其置于恒温培养箱中培养（倒置，30℃）。样品做 3 个重复。固体平板长出菌落后，从 10-5和 10-6梯度平板上选取颜色、形状和大小不同的单菌落在灭菌固体平板上划线分离，接着放入恒温培养箱中，等到在平板上长出新的菌落后，继续划线分离，重复 3 次就可以到纯菌落(图 2.1)。

图 3.3 好氧反硝化菌群 C-30 (a)氮素去除，(b)生长曲线及总有机碳去除菌群结构组成解析混合菌群是通过将运用稀释涂布平板技术分离纯化得到的优势式形成的。在这个配对过程中不可避免地存在人为因素，而不混合菌群。本研究设计出的混合菌种筛分方法不需要得到单一氮效果来确定优势菌种。该过程省时省力，所得混合菌群是在形成的，具有稳定性和高效性。由不同种属的好氧反硝化细菌水体氮污染去除效果更稳定、更高效。好氧反硝化混合菌群中硝化细菌形成了共生关系，相互之间产生协同作用、菌株之间有利于水体中氮的去除和有机物的降解。的 3 组优势好氧反硝化菌群结构组成通过高通量 DNA 测序测，优势好氧反硝化混合菌群 H-30 的类别包括：Paracoccus pant
【参考文献】

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本文编号：2846026