生活污水处理厂微生物群落结构解析

生活污水处理厂微生物群落结构解析

安海金

安海金

山西华瑞鑫环保科技有限公司山西省太原市030024

摘要：本文的研究对象是A城的城市生活污水处理厂，研究方法为高通量测序技术，最终获得解析功能单元中微生物群体结构结果。通过高通量测序得出ACE指数为20653.4，Chaol指数为12145.8，Shannon指数为6.6，Simpson指数为0.005。其中共有19种优势微生物的丰度在1%以上，共有355中菌属的所占比例高于0.01%。通过试验结果可以分析得到A城的城市污水处理厂的水质中有比较丰富的微生物资源，这些微生物资源也为污水处理提供微生物基础。

关键词：生活污水；微生物群体；结构解析

引言：随着工业经济的不断发展，国家越来越重视对工业污染的处理要求，污水处理也是一项重要内容。如果污水处理不达标，排放出不符合要求的污水，会直接对湖水、河水产生负面影响，比较常见的就是水体富营养化。在城市污水处理的过程中，脱氮除磷是重要内容，污水处理厂中存在大量的微生物菌属，了解其群落结构特征可以为脱氮除磷在理论上提供帮助，便于脱氮除磷工作在实际工作中的推进。目前，城市污水处理厂使用的主要方法是氧化沟工艺，从微生物群体结构出发来解析的还比较少。本文以A城的污水处理厂为例，使用污水处理厂中的活性污泥作为研究对象，采用高通量测序技术从各级分类水平上分析污水处理厂中的微生物多样性以及其群落结构特征，希望能为氧化沟污水处理提供补充性的理论支持。

1材料与方法

1.1污水处理厂概况

A城污水处理厂位于市区东南河边，每天处理污水量达10—15吨。该污水处理厂的进水水质中TP（总磷）为2.7mg/L，氨氮为18.7mg/L，YN（总氮）为24.5mg/L，化学需氧量为242.8mg/L，升华需氧量为109.5mg/L。处理污水主要使用氧化沟，水力停留时间为十小时。

1.2高通量测序

该方法是指将氧化沟厌氧池中的活性泥污放入冰盒后带回实验室立即试验，借助试剂盒的帮助提取微生物基因组DNA，为了检测抽取基因的完整性，需要使用到1%的琼脂糖凝胶电泳，之后用试剂盒来检验基因组DNA的浓度。每个样品需重复三道工序，首先进行3分钟的95℃预变；之后是保持30s的95℃、55℃、72℃的循环，包含25个循环；最后是在72℃下保持5分钟。对PCR产物进行琼脂糖电泳并回收，使用Qubit2.0DNA检测产物的定量，再通过IlluminaMiseq测试平台对PCR产物做高通量测序。

1.3微生物群落结构分析

通过对所得序列的质量控制除去不合格的引物序列、短片段和低质量序列，对剩下的序列进行相似性分析，使用uclust软件划分操作分类单元。同时对所选序列进行物种分类，分为门、纲、目、科、属这几个基本单位，根据各单位内的序列数量进行统计分析，绘制物种有关图表。

2结果与讨论

2.1污水处理效果

试验时的污水温度处于25—35℃的区间内，笔者对该污水处理厂的进水浓度进行了累计频率分析，结果为该污水处理厂的出水水质是符合一级B类排放标准的。在该污水处理厂升级改良后，出水水质满足一级A类排放标准。

2.2污泥中微生物多样性分析

最初共获得了28560条有效序列，通过质量控制后分为4435个分类操作单元，即OUT。对有效序列进行的是α指数多样性分析，结果为ACE指数为20653.4，Chaol指数为12145.8，Shannon指数为6.6，Simpson指数为0.005。后续可根据OUT数目、ACE指数、Chaol指数等绘制丰富度稀疏图或Shannon指数图等，从数值中可以分析出序列数量是接近饱和的，这也表明了污泥中有较多的微生物物种，并且其丰度与多样性都很高。

3微生物群落结构解析

3.1门水平群落结构分析

试验结果表明大部分的细菌为变形菌门和浮霉菌门这两类，这两类细菌也是比例超过了20%比例的细菌。变形菌门细菌都是革兰氏阴性菌，有学者指出变形菌门有利于污水中有机物的祛除。浮霉菌门对去除水体中的氨氮和亚硝酸盐氮也有很大的作用，它主要存在于淡水水体、海洋沉积物、污水处理系统、土壤等厌氧环境中。其他占比比较大的细菌还有酸杆菌门、衣原体门、放线菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门，这些细菌都可以处理污水中的有机物，具有相似的作用。

3.2纲水平群落结构分析

在纲水平下，浮霉菌纲是最主要的，比例达23%左右，其他比较重要的有γ-变形菌纲、α-变形菌纲、β-变形菌纲等，加起来的比例在25%左右。α-变形菌纲是一种自养微生物，可以在硝化过程中发挥作用；γ-变形菌纲与β-变形菌纲具有相同点，都为兼性异氧菌，参与COD的降解过程，在污水处理中发挥重要作用。

3.3目水平群落结构分析

目水平下的细菌种类较多，比例最高的是浮霉菌目，比例在20%以上，明显高于其他目。变形菌门比例也不低，但种类很多，包括根瘤菌目、红螺菌目、假单胞菌目、黄色单胞菌目、军团菌目、交替单胞菌目、脱硫弧菌目、伯克氏菌目、交替单胞菌目等。衣原体目的比例也比较多，同样包括很多种类，比如鞘脂杆菌目和暖绳菌目等。

3.4科水平群落结构分析

从活性污泥样品的分析结构可以看出浮霉菌科、变形菌门中的一些科与衣原体门中的科比例比较多。巴斯德氏菌科、假单胞菌科、甲基孢囊菌科、柯克斯体科、黄色单胞菌科、红螺菌科、交替单胞菌科都是变形菌门所包含的科；副衣原体科和芯卡体科是在衣原体门下比例较多的科。

3.5属水平群落结构分析

属水平下的细菌分类是最多的，主要统计了比例在1%以上的菌属。变形菌门中的玫瑰单胞菌是微生物菌属中丰度最高的微生物，呈粉红色，革兰氏阴性。它在繁殖的过程中可以使污泥中的有机物浓度降低，进而有利于污水的脱氮除磷；主要的浮霉菌门下的菌属主要有sosphaera、Gemmata、Blastopirellula及Planctomyces等，它们有利于藻类的生物矿化与除氮的开展。另一种主要的菌属是酸单细胞菌属，是革兰氏阴性菌的一种，在较酸的环境下可以生长。而且酸细胞单菌可以对不同价态铁出现氧化还原反应。革兰氏阳性专性寄生菌的一种为巴斯德氏芽菌，同时也是芽孢杆菌纲的一种，可以有效分解污水中的有机物，并且有国外研究者证明芽孢杆菌比活性污泥的生物吸附效果更好。

3.6未知微生物比例

有许多未知的菌属存在于生活污水处理厂的活性污泥样品中，污水处理活性污泥的微生物菌群结构包括已知菌属和未知菌属，同样的，未知菌属也可以按照门、纲、目、科、属5个分类水平进行分类。在门水平下，已知微生物所占比例为80%以上，而在属水平下，已知微生物比例下降到50%左右，已知微生物的比例呈下降趋势，未知微生物的比例不断上升，也就是说，分类水平越详细，越有更多的未知微生物。

参考文献：

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