利用高通量测序技术分析不同溶解氧条件下硝化 活性污泥的菌群结构特性

为了精确并深入了解溶解氧对活性污泥中硝化微生物菌群结构的影响,以在不同溶解氧条件下富集的硝化活性污泥为研究对象,利用高通量测序分析方法考察不同溶解氧富集硝化活性污泥微生物菌群结构的特性及差异.研究结果表明:对于包含氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的硝化活性污泥,低溶解氧可以引起较高的生物多样性,而高溶解氧则更利于硝化功能菌(Proteobacteria菌门的Nitrosomonas菌属、Nitrospirae菌门的Nitrospira菌属)的富集;对于仅包含亚硝酸氧化菌的硝化活性污泥,溶解氧对活性污泥生物多样性影响不大,其中Nitrospirae菌门的Nitrospira菌属更适合低溶解氧条件.另外,不同溶解氧条件同样引起了硝化活性污泥中非硝化功能微生物(Bacteriodetes菌门、Chloroflexi菌门、Acidobacteria菌门、Anerolineaceae菌属、Dokdonella菌属、Ferruinibacter菌属等)的菌群结构差异.     

西安市典型景观水体水质及反硝化细菌种群结构

为了探求活性污泥系统中含有的复杂微生物群落对污水处理厂污水中污染物去除的重要作用,通过对Illumina HiSeq 4000平台宏基因组测序结果分析,探究了污水处理厂中生物脱氮系统中的微生物群落的多样性、功能菌种以及主要的代谢途径.在KEEG和COG数据库水平上进行生物分类和功能注释.生物检测结果表明:在门水平上的优势菌种是:变形菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门.各个菌的丰度分别占到测序细菌的53.6%、25.3%、5.86%、2.43%、1.71%、1.46%.Nitrosomonas、Nitrospira和Thauera菌是检测到的典型的AOB、NOB和反硝化菌,分别占到5.82%、2.26%、4.30%,表明该生物系统具有良好的脱氮性能.同时,对氮循环过程中的各种主要的酶进行了阐述,量化分析了硝化和反硝化过程中涉及的功能基因(amo:1 966 hits,hao:1 000 hits,narG:8 204 hits,napA:1 828 hits,nirk:1 854 hits,norB:2 538 hits,nosZ:5 158 hits),同时亚硝酸盐氧化还原酶的功能基因数量为8 204 hits.本研究对生物脱氮系统中的菌群结构和多样性做了综合的阐述,可为优化系统中营养物的去除提供理论基础.

     

膜生物反应器处理晚期垃圾渗滤液亚硝化性能及其抑制动力学分析

为了处理晚期垃圾渗滤液,利用膜生物反应器（membrane bioreactor,MBR）实现了稳定亚硝化.分别构建总细菌通用克隆文库和针对亚硝化功能菌氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria,AOB）的功能基因——amoA基因的克隆文库,来研究稳定期亚硝化系统中微生物多样性.从16S rDNA克隆文库中随机挑选82个阳性克隆子进行序列测定,将测序结果与Genbank中已有模式菌株的序列进行比对后发现,亚硝化系统中主要有4个优势菌群,分别是Proteobacteria类群（64.65%）、未培养菌（uncultured bacterium）类群（18.3%）、Bacteroidetes类群（9.76%）、Firmicutes类群（7.32%）.构建针对AOB的amoA功能基因的克隆文库,从文库中挑选73个阳性克隆子进行序列测定,经序列比对后发现在系统中仅检测到了亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）和未培养菌,分别占41.1%和58.9%.这表明系统中起到亚硝化作用的微生物种群主要是亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）.此外,未培养细菌的大量存在表明,系统中还存在着丰富的微生物资源等待进一步的开发利用.

     

活性污泥长期好氧饥饿下的微生物种群结构演化

为考察好氧饥饿环境对活性污泥硝化及除磷性能的影响,研究活性污泥在长期好氧饥饿条件下的微生物种群结构变化,以具有良好硝化和除磷性能的活性污泥为实验对象,利用Illumina高通量测序平台分别考察活性污泥好氧饥饿处理3,7,14和30 d后的微生物种群结构特性及差异.结果表明:好氧饥饿时间越长,活性污泥硝化及除磷性能所受的影响越大,污泥的种群结构变化越明显.硝化菌和除磷菌等相关功能细菌在短期(7 d)好氧饥饿过程中,可分别利用细菌衰亡裂解释放的氨氮和胞内储能物质进行细胞维持,确保系统硝化及除磷性能的恢复,同时恢复期氨氧化菌快于亚硝酸氧化菌的活性恢复速率促进了系统由全程硝化向短程硝化的转变;而随着好氧饥饿时间的延长,功能细菌的种群丰度均逐渐减少.此外,活性污泥微生物种群结构在30 d好氧饥饿过程中经历了一个动态变化过程,既有优势种群(如Proteobacteria和Bacteroidetes等)的逐步消亡,又有适应好氧饥饿环境的菌种(如Firmicutes)增强成为新的优势菌群.     

高锰酸盐与臭氧预氧化对生物工艺的影响

通过对比高锰酸盐-生物活性炭工艺与臭氧-生物活性炭工艺的出水水质和生物工艺中微生物的特性,考察了高锰酸盐与臭氧预氧化对后续生物工艺的影响.实验结果表明,高锰酸盐预氧化-生物活性炭工艺出水水质优于臭氧预氧化-生物活性炭工艺的出水水质.与臭氧-生物活性炭工艺相比,高锰酸盐预氧化后生物活性炭上异养菌种属类别更加单一化;亚硝酸菌种属类别不一致,前者为亚硝化单细胞属,后者为亚硝化螺属和亚硝化单细胞属;硝化菌属的种类是一致的,均为硝化杆菌属和硝化刺菌属.     

短程硝化的实现、维持与过程控制的研究现状

为了考察游离亚硝酸（free nitrous acid,FNA）对高效硝化菌（氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria,AOB）和亚硝酸盐氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria,NOB）活性的抑制影响.采用连续流反应器,通过逐步提高氨氮质量浓度的方式富集培养高效硝化菌,使得硝化速率高达89 mg/（L·h）,通过对污泥富集培养前后细菌群落组成的高通量分析表明,Nitrosomonas（31.02%）比原污泥提高了72.13倍,而Nitrospira（4.36%）提高了2.03倍.用富集培养后的污泥考察不同FNA质量浓度对AOB和NOB活性的影响,并通过探究得出的有效FNA质量浓度作用于不同硝化速率的污泥,考察在实现高纯度的高效AOB菌群培养过程中,FNA值域的控制.结果表明,AOB和NOB的活性均受到FNA的影响,当FNA的质量浓度为0.5和0.6 mg/L时,AOB和NOB均保持较高活性.当FNA的质量浓度为0.7 mg/L时,不仅能使NOB活性逐渐降低到0,而且能使AOB活性保持在56%以上.当FNA的质量浓度为0.9 mg/L时,AOB活性受到严重的抑制.因此,在实现高纯度的高效AOB菌群培养的过程中,0.7 mg/L是FNA最适宜的质量浓度,并且对15~89 mg/（L·h）的硝化速率的污泥仍然有效,但随着硝化速率的提高,FNA的质量浓度也需要相应提高以抑制NOB活性同时保留AOB活性.

     

城市污水SBR法短程生物脱氮系统硝化菌群的定量分析

为了研究实时控制对短程生物脱氮中试系统内硝化菌群结构组成的影响,在考察系统常温条件下处理城市污水时短程硝化效果的同时,采用FISH、PCR-DGGE和PCR-克隆序列(Cloning Sequencing)分子生物学方法对SBR中试系统(有效容积为54 m³)硝化菌群中的氨氧化菌(AOB)和亚硝酸氧化菌(NOB)进行定性与定量化分析.FISH结果表明,在短程脱氮系统中,AOB相比于NOB已成为明显的优势菌群,占总菌群的3%~12%;且没有检测出NOB.PCR-DGGE结果表明,SBR短程脱氮中试系统中的AOB均以Nitrosomonas-like为主.污泥样品的PCR-Cloning-Sequencing结果表明,所有的克隆相似于Nitrosomonas,其中60%以上的克隆相似于Nitro- somonas europaea.     

基于宏基因组的城市污水处理厂生物脱氮污泥菌群结构分析

为了探求活性污泥系统中含有的复杂微生物群落对污水处理厂污水中污染物去除的重要作用,通过对Illumina Hi Seq 4000平台宏基因组测序结果分析,探究了污水处理厂中生物脱氮系统中的微生物群落的多样性、功能菌种以及主要的代谢途径.在KEEG和COG数据库水平上进行生物分类和功能注释.生物检测结果表明:在门水平上的优势菌种是:变形菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门.各个菌的丰度分别占到测序细菌的53. 6%、25. 3%、5. 86%、2. 43%、1. 71%、1. 46%. Nitrosomonas、Nitrospira和Thauera菌是检测到的典型的AOB、NOB和反硝化菌,分别占到5. 82%、2. 26%、4. 30%,表明该生物系统具有良好的脱氮性能.同时,对氮循环过程中的各种主要的酶进行了阐述,量化分析了硝化和反硝化过程中涉及的功能基因(amo:1 966 hits,hao:1 000hits,nar G:8 204 hits,nap A:1 828 hits,nirk:1 854 hits,nor B:2 538 hits,nos Z:5 158 hits),同时亚硝酸盐氧化还原酶的功能基因数量为8 204 hits.本研究对生物脱氮系统中的菌群结构和多样性做了综合的阐述,可为优化系统中营养物的去除提供理论基础.     

常温CANON反应器内微生物群落结构及生物多样性

为研究基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)工艺中微生物群落结构及种属特征,从常温条件下稳定运行的CANON反应器中采集生物膜样品,并基于聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,分别对总细菌、氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌进行群落结构解析.结果表明:反应器中与亚硝化作用有关的功能菌为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和亚硝化螺菌属(Nitrosospira),与厌氧氨氧化作用有关的功能菌是Candidatus Brocadia属和CandidatusKuenenia属,未检测到亚硝酸盐氧化细菌,且系统内氨氧化细菌的生物多样性明显高于厌氧氨氧化菌.此外,反应器中还存在其他微生物,如Shewanella 、Pseudomonas 、lgnatzschineria、Dechloromonas以及属于Clostridia、α-Proteobacteria、Bacillales的uncultured bacteium等.     

常温低基质亚硝化反应器功能菌群解析

为维持亚硝化反应器稳定运行提供微生物理论基础,以常温(18~21.5℃)低基质推流式亚硝化反应器为对象,解析其稳定运行期间功能菌群特征.通过检测反应器三氮变化检验其亚硝化效果.利用扫描电镜(SEM)观察污泥微观结构,通过荧光原位杂交(FISH)、变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)及克隆测序等方法,解析微生物菌群特性.保持反应器低溶解氧环境(0.1~0.6 mg/L),使氨氧化菌(AOB)竞争力强于亚硝酸盐氧化菌(NOB),在连续流运行80 d内,平均亚硝化率几乎为100%,出水NO2--N与NH4+-N质量比稳定在1.11.SEM结果显示,亚硝化污泥中球形细菌为优势菌群.FISH结果显示,AOB与NOB的相对比例分别为37.3%与4.4%.PCR-DGGE结果表明,反应器内存在6类优势微生物菌群,其中Nitrosomonas sp.为功能微生物AOB.由多种微生物组成的功能菌群维持反应器亚硝化稳定运行.     

DO对SBR短程硝化系统的短期和长期影响

采用实际的生活污水,在SBR反应器内分别考察了溶解氧(DO)对短程硝化效果及污泥种群结构的短期和长期影响.结果表明,通过采用实时控制曝气时间,高ρ_DO(ρ(DO)=(3±0.5)mg/L)与低ρ_DO(ρ(DO)=(0.5±0.1)mg/L)条件下SBR系统的亚硝酸盐积累率均能达到90%以上,而低ρ_DO相对于高ρ_DO更利于提高系统的同步硝化反硝化(SND)效果,两者的平均同步硝化反硝化率(SND率)分别为45.5%和9.5%,低ρ_DO下最高SND率达86%.FISH的检测结果表明,实时控制模式下反应器内亚硝酸氧化菌(NOB)逐渐被淘洗,而氨氧化细菌(AOB)变为优势硝化菌群.在高ρ_DO运行末期,稳定的短程污泥中AOB和NOB的相对数量分别为8%~10%和不足0.5%;在低ρ_DO运行末期,AOB数量出现了微弱上升,增至10%~12%,而NOB进一步被淘汰,基本检测不出.可见,采用好氧曝气时间实时控制,能对短程硝化系统内污泥种群起到优化作用,且在高、低ρ_DO下均能实现稳定的短程硝化效果,而低ρ_DO更有利于系统内亚硝酸氧化菌(NOB)的淘洗、短程硝化率的提高以及系统SND效果的加强.     

单级自养脱氮反应器效能与微生物群落结构的相关性

于稳定运行但效能有明显差异的2套序批式生物膜反应器单级自养脱氮系统,研究了微生物群落结构的PCR—DGGE、real—timePCR等现代分子生物学特点及其运行效能与之的相关性。结果表明：运行效能好的反应器活性污泥及生物膜浓度较高,微生物群落结构差异较大,二者相似性为58．3％,溶解氧在活性污泥及生物膜内的分布特点为各类微生物及其代谢创造了良好环境,系统中好氧氨氧化菌AOB及厌氧氨氧化菌ANAMMOXz在数量上绝对占优,各类细菌的协同代谢使系统总氮去除率达到80％以上。运行效能相对较差的反应器,由于在反应器启动过程中没有将亚硝酸氧化菌NoB完全“洗脱”,系统中出现NO3-积累,且系统挂膜不理想,生物膜浓度低,生物膜与活性污泥微生物群落结构相似性为100％,优势功能菌单一,从而造成运行效能较低,总氮去除率仅为20％～30％。维持SBBR自养脱氮系统微生物群落结构的稳定及平衡性,生物膜是关键性因素。     

腐殖酸预处理对活性污泥中硝化菌活性的影响

为考察腐殖酸(HA)预处理对硝化菌——氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性的影响,将不同质量浓度梯度的腐殖酸(HA)分别投加到全程硝化污泥Sc1(硝化活性较低)和Sc2(硝化活性较高)以及短程硝化污泥Sp(硝化活性较高),预处理24 h,每种污泥均采用相同的HA质量浓度梯度(0、80、160、240 mg/L)处理.结果表明,当采用80 mg/L(50 mg/gMLVSS)的HA预处理后,污泥Sc1的NOB活性就有了显著提高,硝化反应过程中的硝态氮积累率(R_(NA))由不投加HA预处理时的26.32%增加至78.82%,而氨氧化速率(R_(AO))没有显著变化,表明HA预处理对AOB的活性没有影响而提高了NOB的活性.对于污泥Sc2,投加不同质量浓度的HA预处理既没有改变R_(AO)也没有影响R_(NA),这说明对于活性较好的AOB和NOB,HA预处理并没有进一步提高其活性,同时也不会抑制其活性.对于污泥Sp,HA的预处理没有破坏其短程效果,基本没有NO_3~--N的积累.因此,HA预处理对于AOB活性基本没有影响,但是影响了NOB的活性,在其活性不高时,能提高其活性,在其活性高时,既不会被进一步提高也不会被抑制.     

有机碳源缺乏对成熟好氧颗粒污泥性能的影响

通过探究有机碳源缺乏废水对成熟好氧颗粒污泥物化特性、细菌活性、胞外聚合物(extracelluler polymer substances, EPS)及结构稳定性的影响,研究实际污水处理过程中缺乏有机碳源对好氧颗粒污泥稳定性及硝化活性的影响,进而检测实际污水处理中好氧颗粒污泥的耐冲击能力。结果表明:在有机碳源缺乏的条件下,成熟颗粒污泥中氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)和硝化细菌(nitrite oxidation bacteria, NOB)活性升高,60 d左右可实现较高的硝化活性;成熟好氧颗粒污泥粒径减小,丝状菌消失,球菌增多,颗粒污泥更加密实;EPS质量浓度及多糖(polysaccharide, PS)与蛋白质(proteins, PN)质量比升高;在有机碳源缺乏的条件下,成熟好氧颗粒污泥并未完全解体,具有较强的耐冲击能力。本研究证实了好氧颗粒污泥处理缺乏有机碳源废水的潜力,为好氧颗粒污泥的实际应用提供了理论基础。     

Effect of C/N ratio on nitrite accumulation in denitrifying process with methanol as carbon source

为了探讨碳氮比(\t\t\t\t\tρ(C)/\t\t\t\t\tρ(N))在反硝化过程中对于亚氮积累的影响,采用乙酸钠为碳源,在序批式实验中,通过控制进水碳氮比来研究反硝化包埋颗粒在反应过程中亚硝态氮积累的现象. 实验结果表明:在反应过程中,不同的碳氮比条件下均出现亚硝态氮积累现象,且亚硝态氮积累率都表现出先升高后降低的趋势. 其中,碳源充足(碳氮比为4.0~6.0)时,亚硝态氮积累率在30min时达到最大,随后逐渐降低,反应结束时在碳氮比为4.0条件下仍有亚氮积累;当碳源不足(碳氮比为2.0~3.0)时,亚硝态氮的积累率在120min达到最大,而后基本维持不变,说明可以通过控制碳氮比和反应时间来获得稳定的亚硝态氮积累. 硝态氮和亚硝态氮的还原速率随着碳氮比的增加而逐步升高,而亚硝态氮的最大积累率与积累速率随着碳氮比的增加先升高后降低,在碳氮比为4.0时亚硝态氮的积累率和积累速率均达到最大,分别为40.8%和24.46mg/(L·h),说明碳氮比对亚硝态氮的积累有显著影响.\t\t\t\t

     

热冲击法实现包埋活性污泥稳定亚硝化

亚硝化是一种节能的工艺,在处理高氨氮质量浓度和低Ｃ/Ｎ比污水时具有较高的可行性。本研究通过热冲击的方式处理包埋活性污泥,成功实现了NO2--N的积累。研究中发现,在60℃温度下热冲击10min,亚硝酸盐氧化菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)活性就将完全消失,而氨氧化菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)仍有一定活性。PCR-DGGE发现,热冲击后包埋颗粒内残留的NOB主要是Candidatus Nitrospira defluvii,只有当生物量达到一定值后时才能显现出硝化性能。研究还对60℃和70℃热冲击后的包埋颗粒进行了连续流实验,发现热冲击后的包埋颗粒均能维持稳定的亚硝化,但温度越高,达到亚硝化所需的时间越长。在维持65d的稳定亚硝化后,反应器内开始出现NO3--N积累,重新对包埋颗粒进行热冲击,反应器可以再次实现稳定的亚硝化。