【摘要】： 微生物分子生態(tài)學(xué)發(fā)展的一個重要的方面是對尚未得到純培養(yǎng)的微生物的分類地位與其功能進(jìn)行關(guān)聯(lián),從而得到這些微生物的功能信息。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,通過對16S rRNA基因等具有進(jìn)化標(biāo)記的基因的克隆和測序,越來越多的不可培養(yǎng)的微生物被發(fā)現(xiàn),同時,大量研究發(fā)現(xiàn)微生物區(qū)系的組成和功能通常會隨著環(huán)境的變化而同時發(fā)生變化。我們可以根據(jù)這一模式深入了解微生物區(qū)系的結(jié)構(gòu)與功能動態(tài)變化情況,并鑒定主要的功能菌。 隨著人們環(huán)保意識增強(qiáng),可持續(xù)發(fā)展觀念的理解深入,人們對難降解有機(jī)物在環(huán)境中的降解、遷移及危害越來越關(guān)注并開發(fā)出了很多高效的去除這些有機(jī)物的方法。然而,在很多生物處理的工藝中,人們對處理過程的生物降解機(jī)理并不是很清楚,對處理過程的微生物的區(qū)系結(jié)構(gòu)及主要的功能菌也知之甚少。在本研究中,首先對處理含有高濃度喹啉廢水的反應(yīng)器進(jìn)行了解析,喹啉是一種主要的含氮雜環(huán)化合物,是存在于一些水體和某些土壤中的主要的污染有機(jī)物之一,在工業(yè)廢水處理過程中,喹啉是一種常見的難降解的復(fù)雜有機(jī)物之一。實(shí)驗中反硝化生物膜反應(yīng)器和一個平行的厭氧反應(yīng)器是從同一份種子污泥出發(fā)馴化建立的。兩個反應(yīng)器的其它條件完全一致,只是在反硝化反應(yīng)器中加入了一定量的硝酸根。經(jīng)過六個星期的馴化,兩個反應(yīng)器均達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過五天的連續(xù)監(jiān)測,在反硝化反應(yīng)器中喹啉的平均去除率為90.2%,COD的平均去除率為81.1%,而厭氧反應(yīng)器中為喹啉平均去除率為53.6%,COD的平均去除率60.4%。 為了找出反硝化條件下及厭氧條件下的主要功能菌,我們對種子污泥、反硝化反應(yīng)器和厭氧反應(yīng)器中生物膜樣品的微生物種群進(jìn)行了對比分析。首先通過16S rRNA v3區(qū)基因的PCR-DGGE分析,對種子污泥和兩個反應(yīng)器中的微生物組成進(jìn)行了對比。通過對比發(fā)現(xiàn)樣品的微生物區(qū)系組成有很大的差異,表明種子污泥在含喹啉的合成廢水中進(jìn)行馴化時,其微生物組成發(fā)生了很大的變化,其中那些能在反硝化和厭氧條件下降解喹啉的微生物被富集。對其中的優(yōu)勢條帶進(jìn)行割膠,克隆測序分析表明在反硝化反應(yīng)器中的最優(yōu)勢的條帶所代表的序列與Thauera和Azoarcus屬的微生物具有很近的親緣關(guān)系。而在厭氧反應(yīng)器中變形菌綱Gamma亞綱與Desulfobacter postgatei種的微生物是優(yōu)勢的條帶。同時我們還構(gòu)建了16S rDNA的全長序列的克隆文庫。根據(jù)Kemp,P.F.等人的方法對所建文庫的有效性進(jìn)行了驗證,結(jié)果表明三個文庫均已足夠大。通過兩個統(tǒng)計學(xué)參數(shù)Shannon Wiener index (H)和reciprocal of Simpson’s index (1/D)分析表明三個文庫的多樣性順序為SSDRAR。說明在馴化過程中微生物的多樣性降低了。通過對克隆文庫進(jìn)行進(jìn)化地位分析表明,在反硝化反應(yīng)器中,所有的Phylotype均屬于變形菌綱Beta亞綱,而種子污泥中的克隆分屬于8個綱。其中反硝化反應(yīng)器中73.6%的克隆與Thauera和Azoarcus屬的微生物具有最高的同源性。而在種子污泥中,與這兩個屬同源性最高的微生物只有4%,在厭氧反應(yīng)器的克隆文庫中沒有發(fā)現(xiàn)屬于這兩個屬的微生物。厭氧反應(yīng)器中變形菌綱Gamma亞綱與Desulfobacter postgatei種的微生物顯著增加,這種動態(tài)變化表明這些細(xì)菌可能是在反硝化和厭氧條件下對喹啉的降解起關(guān)鍵作用的微生物。 為了進(jìn)一步定量的驗證所得到的結(jié)果,我們應(yīng)用實(shí)時熒光定量PCR(Real-time quantitative PCR, RTQ-PCR)的方法,選取了專一性的針對Thauera和Azoarcus屬微生物的引物。對降解喹啉的反硝化反應(yīng)器的種子污泥樣品和穩(wěn)定運(yùn)行后的生物膜樣品進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明在每微克濕重的污泥中待檢測的基因片段的拷貝數(shù)在種子污泥中為為3.70±0.16×105,在反硝化反應(yīng)器中為3.69±0.97×106。這表明在馴化過程中,Thauera和Azoarcus屬微生物的細(xì)胞數(shù)增加了一個數(shù)量級。也進(jìn)一步表明了,這兩個屬的微生物很有可能是在反硝化條件下的去除復(fù)雜有機(jī)物的重要的功能菌。 用類似的方法我們分析了以焦化廢水為底物的兩個反應(yīng)器,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,GC/MS分析表明,苯酚、甲苯、嘧啶在DR中的去除效率較高,而咔唑和苯胺在AR中具有更高的去除效率。反硝化裝置中的平均COD去除率為51.4%,厭氧反應(yīng)器中為18.3%。PCR-DGGE分析和克隆文庫分析都表明,兩個反應(yīng)器中發(fā)生了不同的微生物區(qū)系變化,在反硝化反應(yīng)器內(nèi),Thauera屬的微生物發(fā)展成為優(yōu)勢菌群。這與喹啉部分的實(shí)驗結(jié)果吻合。在厭氧反應(yīng)器中最優(yōu)勢的微生物與一個未鑒定的硫酸鹽還原菌具有最高的同源性。 在本研究中,通過對系統(tǒng)中的微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,與反應(yīng)器的整體功能變化相關(guān)聯(lián),在分子水平上鑒定了厭氧和反硝化條件下降解喹啉及焦化廢水的優(yōu)勢功能菌類群。
【圖文】：

根據(jù)核糖體小亞基序列構(gòu)建的進(jìn)化樹

兩個反應(yīng)器中的比例組成如圖 1-2 所示。圖中也可以看生物的區(qū)系組成上具有差異，，Rhodocyclus 組的微生物是較高而在 SBR2 中比例較低的微生物，這種差異可能能夠物區(qū)系的除磷功能的差異。 等同樣對一個實(shí)驗室規(guī)模的批式反應(yīng)器中的活性污泥生物d biologicalphosphorus removal，EBPR)進(jìn)行了研究。通過集聚磷菌(polyphosphate-accumulatingorganisms，PAOs)。圖 1-2：SBR1 和 SBR2 中微生物區(qū)系組成對比圖parison of bacterial community structures of the major groups identifiary and the SBR2 library, expressed as a percentage of clones in each l(Bond, 1995, Appl. Environ. Microbiol.)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：X703

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 趙曉祥;龐曉倩;莊惠生;;熒光定量PCR技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J];環(huán)境科學(xué)與技術(shù);2009年12期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 沈國;基于PCR-DGGE技術(shù)的脫氮除磷系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)分析[D];東華大學(xué);2010年

2 仲匯慧;喹啉廢水反硝化反應(yīng)器中微生物菌群結(jié)構(gòu)與功能的研究[D];上海交通大學(xué);2010年

3 袁學(xué)武;誘變前后混合菌浸出高砷金礦及群落演替研究[D];東華大學(xué);2013年

本文編號：2650990