城市污水处理系统微生物多样性和时间动态变化

发布时间：2020-10-13 12:43

　　 污水处理厂(WWTPs)是保护水环境安全和实现城市可持续发展的重要基础设施,生物处理是城市污水处理中应用最普遍的方法。微生物是生物处理系统中污染物去除的主体,认识其多样性是认识污水处理本质的基础,研究其动态变化是理解和预测系统功能和稳定性的重要途径,但相关研究尚不够系统和深入。因此,本论文采用功能基因芯片GeoChip和Illumina Miseq测序等高通量解析技术,结合数据统计、模型检验和网络分析等方法,全面研究了采用典型工艺的实际规模城市污水处理系统中微生物多样性与动态变化特性,旨在为WWTPs的优化设计与运行提供基础数据和理论分析。采用高通量解析技术系统分析了传统活性污泥系统和膜生物反应器(MBR)中微生物群落多样性,发现其功能基因和分类学多样性高,具有碳、氮、磷循环和有机污染修复等多类基因,涵盖GeoChip所包含的所有功能基因类别。同一城市的传统活性污泥系统的微生物群落相似度高,但碳、氮、磷循环亚类功能基因丰度随环境条件不同呈现差异。进水、接种污泥相同的平行运行的MBR和氧化沟(OD)系统的微生物群落组成整体相似,但MBR系统实现了易在寡营养条件下生存的微生物(K-stratigists)的富集。系统阐述了MBR和OD系统微生物群落短期(12天)和中期(12周)的动态变化规律及其主要影响因素。结果表明:两个系统的微生物群落结构呈现天、周变化,功能基因的天变化率(12.8±4.6%)整体高于其周变化率(5.3±3.6%),16S rRNA基因的周变化率(30.5±22.7%)高于功能基因的周变化率(5.3±3.6%)。群落16S rRNA基因对进水水质波动响应显著(MBR和OD系统的变化率分别高达89.7%和74.7%);各系统存在丰度相当的核心微生物(核心物种比例为52.8%(MBR)和47.7%(OD)),核心功能基因比例为58.3–73.5%),首次发现活性污泥核心物种结构与系统氮、磷去除率相关性更显著。短期内混合性悬浮液固体(MLSS)和溶解氧(DO)浓度对微生物群落结构有重要影响作用,中期内进水基质浓度和温度对其有重要影响作用;随机因素在短期和中期内对其均有重要影响作用。采用网络分析方法首次揭示了MBR和OD系统短、中期核心微生物间的相互作用关系,发现MBR系统核心微生物间的联系更紧密,其竞争等关系可能随基质稀缺压力的增大而增强。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X703;X172
【部分图文】：

图 1.1 Illumina 测序流程图NGS技术，第三代测序平台也相继被开发。第三代测序技术无需实现单分子实时测序。按照测序原理将现有技术分为两大阵营分子荧光测序——美国 Helicos 公司 Heliscope 单分子测序仪、T技术（边合成边测序）；纳米孔测序——英国Oxford Nanopore Tec米孔单分子测序技术（电信号测序）。第三代测序技术的特点序速度快、能直接对 RNA 和甲基化的 DNA 序列进行测序，有识微生物群落的功能。但由于其错误率相对偏高、获得单位数分析软件尚不丰富等不足，因而在活性污泥微生物群落和其他解析上还未见应用。第一、二、三代测序的时间、通量和误差。高通量基因芯片技术

（3）城市污水处理系统微生物群落影响因素利用统计学分析方法和生态理论模型系统，分析影响典型工艺系统微生物群落动态变化规律的主要决定性因素及各类因子（进水基质浓度、反应器条件、操作参数）的相对作用，及随机因素的影响作用。（4）城市污水处理系统微生物相互作用关系采用基于随机矩阵理论（RMT）的分子生态网络分析，研究典型工艺系统内的微生物间的相互作用关系（网络拓扑性质、节点组成和具有重要拓扑学意义的节点组成等），并比较不同工艺系统中微生物相互作用关系的差异。1.5.4 技术路线本课题的技术路线图如图 1.2 所示。课题拟在分析与认识（一）群落多样性认识、（二）群落短期和中期动态变化规律的基础上，分析（三）群落影响因素及（四）微生物间相互关系，分别对应本论文的第三，四、五，六，七章的内容。

图 2.1 DNA 样品的 V4 区序列 PCR 扩增结果（引物：515F 和 806R）.6.1 Illumina测序分析不同 DNA 样品的 PCR 纯化产物经等量（200 ng）混合后由 Illumina Miseq仪进行分析，该步骤由俄克拉荷马大学环境基因组研究中心的专业实验人员。.6.2 功能基因芯片GeoChip分析本研究采用功能基因芯片 GeoChip 4.2 和 GeoChip 5.0 对活性污泥样品功能进行检测。由于环境样品中微生物单细胞拷贝数通常较低，对其进行直接检测的效果，因此在进行基因芯片分析之前，需要对样品 DNA 进行扩增增大其基因片段贝数。本研究中采用 Templiphi 试剂盒（GE Healthcare; Piscataway, NJ）实现
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本文编号：2839180