MBR和常规污水处理工艺中除磷菌种群结构研究

【摘要】：磷的去除已经成为城市污水处理厂最重要的指标之一。污水处理系统中除磷菌——聚磷菌对系统除磷起着关键的作用,各种系统中聚磷菌种群落结构的不同导致除磷效率各异。在常规污水生物处理系统中,由于脱氮和除磷之间存在难以调和的矛盾,磷的去除率一般较低。膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)是近年来发展起来并广泛应用的一种污水处理工艺。结合工艺实际运行,研究和分析MBR系统和常规污水处理系统中除磷菌种群结构对优化工艺运行参数具有重要意义。 利用PCR-DGGE分子生物学技术对A/O型常规污水处理系统、传统活性污泥好氧处理系统、一体式MBR系统和A/O型MBR系统中总细菌(Total bacteria)群落结构进行了研究。通过对总细菌DGGE图谱中亮度较大的条带切胶回收DNA并进行克隆测序结果表明,气单胞菌属(Aeromonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)等细菌占据优势地位。在常规污水处理系统中,多种气单胞菌由于世代周期短,对营养的要求不高而占据明显的优势地位。在MBR系统中,世代周期长的假单胞菌和芽孢杆菌为优势菌属。假单胞菌具有好氧反硝化和反硝化聚磷的功能,在处理较高浓度氨氮废水的MBR系统中占据明显优势地位,对该系统的脱氮除磷起到非常重要的作用。该类细菌的大量生长和系统较高的脱氮和除磷效率说明在MBR工艺中脱氮和除磷的矛盾可以在很大程度上得到解决。 对上述四种污水处理系统中放线菌( Actinobacteria )、酸杆菌(Acidobacterium)、α-变形杆菌(α-proteobacteria)、β-变形杆菌(β-proteobacteria)等除磷菌优势菌群种群结构进行了研究。各系统中除磷菌种类都较多,而一体式MBR系统中除磷菌种群多样性最为丰富。由于进水中氨氮含量较高,一类具有反硝化聚磷功能的除磷菌在一体式MBR系统中得到培养和驯化,但其他系统中并没有这类细菌大量生长。四种系统中酸杆菌和β-变形杆菌种群结构多样性差别较大。这两类细菌种群多样性的差异正是四种系统除磷效率存在较大差异的原因,同时说明这两类细菌在生物除磷系统中起着非常重要的作用。 【关键词】：膜生物反应器 常规污水处理系统 除磷菌 聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳 种群结构 克隆测序
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703;X172
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-25
• 1.1 课题研究的背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状与发展动态10-15
• 1.2.1 用于环境微生物的分子生物学技术10-12
• 1.2.2 除磷微生物简介12-14
• 1.2.3 除磷菌研究现状14-15
• 1.3 PCR-DGGE技术简介15-22
• 1.3.1 环境样品基因组DNA的提取与纯化15-17
• 1.3.2 聚合酶链式(PCR)反应17-20
• 1.3.3 变性梯度凝胶电泳技术原理及应用20-22
• 1.4 生物多样性及微生物种类鉴定22-24
• 1.4.1 生物多样性22-23
• 1.4.2 DNA片段克隆测序23-24
• 1.5 主要研究目的与内容24-25
• 第二章 研究的技术路线、方法和材料25-34
• 2.1 研究的技术路线25
• 2.2 常规实验项目分析和测定方法25-26
• 2.3 污泥样品的预处理与总细菌DNA的提取纯化26-27
• 2.3.1 样品预处理26
• 2.3.2 基因组DNA的提取26-27
• 2.4 样品DNA的PCR扩增27-29
• 2.4.1 总细菌的降落式PCR扩增27-28
• 2.4.2 聚磷菌的嵌套式PCR(Nested PCR)扩增28-29
• 2.4.3 PCR扩增所用试剂29
• 2.5 基因组DNA及PCR扩增产物检测29-30
• 2.5.1 基因组DNA提取产物检测30
• 2.5.2 PCR扩增结果检测30
• 2.5.3 琼脂糖电泳所用试剂30
• 2.6 PCR产物的变性梯度凝胶电泳分析30-32
• 2.6.1 操作步骤30-31
• 2.6.2 DGGE试剂和配制31-32
• 2.7 DGGE凝胶片段的回收及克隆测序32
• 2.8 多样性的信息度量Shannon-Wiener指数32-33
• 2.9 DGGE图谱中的相似性分析和聚类分析33
• 2.10 主要实验仪器33-34
• 第三章 MBR和常规污水处理系统微生物群落结构分析34-50
• 3.1 工艺描述与取样条件34-38
• 3.1.1 工艺概述34-36
• 3.1.2 污水处理厂运行工况36-37
• 3.1.3 取样条件及样品编号37-38
• 3.2 活性污泥样品基因组DNA提取38
• 3.3 总细菌群落结构分析38-46
• 3.3.1 总细菌DNA的PCR扩增38-39
• 3.3.2 总细菌变性梯度凝胶电泳分析39-42
• 3.3.3 总细菌Shannon-Wiener多样性指数分析42-43
• 3.3.4 总细菌DGGE图谱相似性分析43-46
• 3.4 部分优势菌属DNA片段克隆测序分析和菌种鉴定46-48
• 3.4.1 回收DNA的PCR扩增46
• 3.4.2 切胶回收克隆测序和细菌系统发育树分析46-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 除磷菌种群结构多样性的对比研究50-75
• 4.1 放线菌种群结构分析50-57
• 4.1.1 放线菌DNA的嵌套式PCR扩增50-51
• 4.1.2 放线菌扩增产物变性梯度凝胶电泳分析51-53
• 4.1.3 放线菌的Shannon-Wiener多样性指数分析53-54
• 4.1.4 放线菌DGGE图谱相似性分析54-57
• 4.2 酸杆菌种群结构分析57-63
• 4.2.1 酸杆菌DNA的嵌套式PCR扩增57-58
• 4.2.2 酸杆菌扩增产物变性梯度凝胶电泳分析58-60
• 4.2.3 酸杆菌的Shannon-Wiener多样性指数分析60-61
• 4.2.4 酸杆菌DGGE图谱相似性分析61-63
• 4.3 α-变形杆菌种群结构分析63-68
• 4.3.1 α-变形杆菌DNA的嵌套式PCR扩增63-64
• 4.3.2 α-变形杆菌扩增产物变性梯度凝胶电泳分析64-66
• 4.3.3 α-变形杆菌Shannon-Wiener多样性指数分析66
• 4.3.4 α-变形杆菌DGGE图谱相似性分析66-68
• 4.4 β-变形杆菌种群结构分析68-73
• 4.4.1 β-变形杆菌的嵌套式PCR扩增68-69
• 4.4.2 β-变形杆菌第二轮PCR产物的变性梯度凝胶电泳分析69-71
• 4.4.3 β-变形杆菌Shannon-Wiener多样性指数分析71
• 4.4.4 β-变形杆菌的DGGE图谱相似性分析71-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第五章 结论和建议75-78
• 5.1 结论75-76
• 5.2 建议76-78
• 参考文献78-84
• 发表论文和科研情况说明84-85
• 致谢85

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