环氧丙烷皂化废水活性污泥中微生物群落分析及利用剩余污泥合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）

发布时间：2018-06-10 02:57

本文选题：Illumina + MiSeq高通量测序　；参考：《济南大学》2017年硕士论文

【摘要】：利用剩余污泥复合菌群经驯化后合成生物可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA),对于降低PHA的生产成本、实现剩余污泥的减量化、无害化和资源化利用具有十分重要的理论意义和应用价值。本文利用Illumina MiSeq高通量测序技术分析了环氧丙烷(Propylene oxide,简称PO)皂化废水活性污泥的细菌菌群和真核藻类的多样性。分析发现在曝气池中活性污泥的核心属是海杆菌属(Marinobacter)、中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)、副球菌属(Paracoccus)、KSA1、沃斯菌属(Devosia)和噬甲基菌属(Methylophaga)。接触氧化池中活性污泥的核心属是海旋菌属(Thalassospira)、海杆菌属(Marinobacter)、Owenweeksia、Novispirillum、中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)、香肠状芽孢菌属(Sporotomaculum)、Pseudidiomarina和KSA1。这些细菌的存在都与PO皂化废水中有机氯化污染物的去除有着密不可分的关系。活性污泥中真核藻类多样性的研究发现,PO皂化废水活性污泥中的真核藻类可以被分为两个不同的组,都是未被鉴定的真核藻类。为了更进一步的研究PO皂化废水中真核藻类的多样性,我们构建了基于18S rDNA高变区序列的18S rDNA克隆文库。其中有一个组被鉴定为Desmodesmus intermedius,具有潜在的产油脂能力,未来可能作为能源藻被开发利用。污泥经水解酸化可产生挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,简称VFAs),以乙酸为主。我们自行组装了50 L的序批式反应器(Sequencing Batch Reactor,简称SBR),利用两个SBR装置,分别以自来水和Ca2+浓度较高的终沉池出水配制培养基驯化PO皂化废水活性污泥,进行合成PHA的预实验,并分别对两个SBR装置中PHA含量及其单体组分进行了检测分析。结果显示,使用自来水配制培养基更有利于活性污泥合成PHA的菌群生长。经发酵培养,驯化后污泥的最大PHA合成量达到污泥干重的20.33%,该PHA由两种单体组成,分别是3-羟基丁酸(3HB)和3-羟基戊酸(3HV)。3HB含量显著高于3HV,PHA含量最高时3HB与3HV的质量比约为10:1。而使用终沉池出水配制培养基驯化活性污泥PHA最大积累量只有污泥干重的3.4%,3HB单体的含量稍大于3HV,PHA含量最高时3HB与3HV质量比约为1.68:1。在前期预实验的基础上确定使用自来水作为配制培养基用水,在驯化开始前添加分离自驯化后污泥的终浓度为0.75 g/L的红杆菌(Rhodobacter sp.)XR212回注污泥,采用微好氧-好氧模式对活性污泥进行21天驯化。每天取样检测乙酸钠的消耗情况,发现在第十天活性污泥菌群能够明显的消耗乙酸钠,继续对其进行驯化,符合丰盛-饥饿驯化模式,最终得到一个PHA合成菌占优势的混合菌群。PHA最大积累量可以达到污泥干重的25.52%,挥发性悬浮固体量(VSS)与混合液悬浮固体浓度(MLSS)的百分比为52.45%,最大产量可以达到细胞干重的48.66%。PHA的单体成分以3HB为主,较驯化前有了显著提高,3HB与3HV的质量比约为11.5:1。为了探究利用乙酸钠驯化后的活性污泥菌群的变化情况,分别提取驯化前后的污泥的宏基因组DNA,并利用Illumina MiSeq高通量测序技术进行深入研究。我们在属的水平上进行了显著性差异分析比较驯化前后细菌群落差异。驯化前后差异较大的菌群主要集中在变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。在变形菌门中,α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的红杆菌属(Rhodobacter)、生丝单胞菌属(Hyphomonas)和土壤杆菌属(Agrobacterium)由驯化前几乎未被检测到增加到驯化后分别占总量的12.79%、7.28%和4.13%。β-变形菌纲(Betaproteobacteria)中红环菌科(Rhodocyclaceae)中未鉴定属和噬氢菌属(Hydrogenophaga)由驯化前几乎未被检测到增加到驯化后分别占总量的13.50%和3.87%;甲基营养菌属(Methyloversatilis)由驯化前0.001%增加到驯化后1.87%。γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)中Alishewanella由驯化前几乎未被检测到增加到驯化后占总量的10.69%;假单胞菌属(Pseudomonas)由驯化前0.004%增加到驯化后4.50%,明显减少的菌属是海杆菌属(Marinobacter)由驯化前6.89%减少到未被检测到。拟杆菌门中黄杆菌属(Flavobacterium)由驯化前0.001%增加到驯化后12.34%,Leadbetterella由驯化前几乎未被检测到增加到驯化后7.02%。腐生螺旋体属(Saprospirales)的细菌则由驯化前14.07%减少至未被检测到,KSA1由驯化前2.32%减少至未被检测到。这些在驯化后含量显著增加的属的细菌都能利用乙酸钠合成PHA,而不能利用乙酸钠合成PHA的菌群则在驯化过程中被淘汰。本研究将为实现规模化利用PO皂化废水剩余污泥合成PHA提供有益参考。
[Abstract]:In this paper , we used Illumina MiSeq high - throughput sequencing technology to analyze the biological diversity of active sludge in PO saponification wastewater . 1 . Based on the preliminary experiment , it was determined that tap water was used as the water for the preparation of culture medium , and the final concentration of sludge after domestication was 0.75 g / L ( Rhodobacter sp . ) . In order to study the variation of activated sludge bacteria after acclimating , it was found that there was a significant difference in the quantity of activated sludge bacteria before and after domestication . The maximum yield could reach 25.52 % of the dry weight of the sludge , and the maximum yield could reach 48.66 % of the total dry weight .
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703;X172;TQ323.4

【参考文献】