污水處理廠(WWTPs)是保護水環(huán)境安全和實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,生物處理是城市污水處理中應(yīng)用最普遍的方法。微生物是生物處理系統(tǒng)中污染物去除的主體,認識其多樣性是認識污水處理本質(zhì)的基礎(chǔ),研究其動態(tài)變化是理解和預(yù)測系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性的重要途徑,但相關(guān)研究尚不夠系統(tǒng)和深入。因此,本論文采用功能基因芯片GeoChip和Illumina Miseq測序等高通量解析技術(shù),結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計、模型檢驗和網(wǎng)絡(luò)分析等方法,全面研究了采用典型工藝的實際規(guī)模城市污水處理系統(tǒng)中微生物多樣性與動態(tài)變化特性,旨在為WWTPs的優(yōu)化設(shè)計與運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論分析。采用高通量解析技術(shù)系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)和膜生物反應(yīng)器(MBR)中微生物群落多樣性,發(fā)現(xiàn)其功能基因和分類學多樣性高,具有碳、氮、磷循環(huán)和有機污染修復等多類基因,涵蓋GeoChip所包含的所有功能基因類別。同一城市的傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的微生物群落相似度高,但碳、氮、磷循環(huán)亞類功能基因豐度隨環(huán)境條件不同呈現(xiàn)差異。進水、接種污泥相同的平行運行的MBR和氧化溝(OD)系統(tǒng)的微生物群落組成整體相似,但MBR系統(tǒng)實現(xiàn)了易在寡營養(yǎng)條件下生存的微生物(K-stratigists)的富集。系統(tǒng)闡述了MBR和OD系統(tǒng)微生物群落短期(12天)和中期(12周)的動態(tài)變化規(guī)律及其主要影響因素。結(jié)果表明:兩個系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)天、周變化,功能基因的天變化率(12.8±4.6%)整體高于其周變化率(5.3±3.6%),16S rRNA基因的周變化率(30.5±22.7%)高于功能基因的周變化率(5.3±3.6%)。群落16S rRNA基因?qū)M水水質(zhì)波動響應(yīng)顯著(MBR和OD系統(tǒng)的變化率分別高達89.7%和74.7%);各系統(tǒng)存在豐度相當?shù)暮诵奈⑸?核心物種比例為52.8%(MBR)和47.7%(OD)),核心功能基因比例為58.3–73.5%),首次發(fā)現(xiàn)活性污泥核心物種結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)氮、磷去除率相關(guān)性更顯著。短期內(nèi)混合性懸浮液固體(MLSS)和溶解氧(DO)濃度對微生物群落結(jié)構(gòu)有重要影響作用,中期內(nèi)進水基質(zhì)濃度和溫度對其有重要影響作用;隨機因素在短期和中期內(nèi)對其均有重要影響作用。采用網(wǎng)絡(luò)分析方法首次揭示了MBR和OD系統(tǒng)短、中期核心微生物間的相互作用關(guān)系,發(fā)現(xiàn)MBR系統(tǒng)核心微生物間的聯(lián)系更緊密,其競爭等關(guān)系可能隨基質(zhì)稀缺壓力的增大而增強。
【學位單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：X703;X172
【部分圖文】：

圖 1.1 Illumina 測序流程圖NGS技術(shù)，第三代測序平臺也相繼被開發(fā)。第三代測序技術(shù)無需實現(xiàn)單分子實時測序。按照測序原理將現(xiàn)有技術(shù)分為兩大陣營分子熒光測序——美國 Helicos 公司 Heliscope 單分子測序儀、T技術(shù)（邊合成邊測序）；納米孔測序——英國Oxford Nanopore Tec米孔單分子測序技術(shù)（電信號測序）。第三代測序技術(shù)的特點序速度快、能直接對 RNA 和甲基化的 DNA 序列進行測序，有識微生物群落的功能。但由于其錯誤率相對偏高、獲得單位數(shù)分析軟件尚不豐富等不足，因而在活性污泥微生物群落和其他解析上還未見應(yīng)用。第一、二、三代測序的時間、通量和誤差。高通量基因芯片技術(shù)

（3）城市污水處理系統(tǒng)微生物群落影響因素利用統(tǒng)計學分析方法和生態(tài)理論模型系統(tǒng)，分析影響典型工藝系統(tǒng)微生物群落動態(tài)變化規(guī)律的主要決定性因素及各類因子（進水基質(zhì)濃度、反應(yīng)器條件、操作參數(shù)）的相對作用，及隨機因素的影響作用。（4）城市污水處理系統(tǒng)微生物相互作用關(guān)系采用基于隨機矩陣理論（RMT）的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析，研究典型工藝系統(tǒng)內(nèi)的微生物間的相互作用關(guān)系（網(wǎng)絡(luò)拓撲性質(zhì)、節(jié)點組成和具有重要拓撲學意義的節(jié)點組成等），并比較不同工藝系統(tǒng)中微生物相互作用關(guān)系的差異。1.5.4 技術(shù)路線本課題的技術(shù)路線圖如圖 1.2 所示。課題擬在分析與認識（一）群落多樣性認識、（二）群落短期和中期動態(tài)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析（三）群落影響因素及（四）微生物間相互關(guān)系，分別對應(yīng)本論文的第三，四、五，六，七章的內(nèi)容。

圖 2.1 DNA 樣品的 V4 區(qū)序列 PCR 擴增結(jié)果（引物：515F 和 806R）.6.1 Illumina測序分析不同 DNA 樣品的 PCR 純化產(chǎn)物經(jīng)等量（200 ng）混合后由 Illumina Miseq儀進行分析，該步驟由俄克拉荷馬大學環(huán)境基因組研究中心的專業(yè)實驗人員。.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 對活性污泥樣品功能進行檢測。由于環(huán)境樣品中微生物單細胞拷貝數(shù)通常較低，對其進行直接檢測的效果，因此在進行基因芯片分析之前，需要對樣品 DNA 進行擴增增大其基因片段貝數(shù)。本研究中采用 Templiphi 試劑盒（GE Healthcare; Piscataway, NJ）實現(xiàn)
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本文編號：2839180