黃鄭鄭,曹 剛,2*,李紫惠,陳海升,莫測(cè)輝,2(.暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 50630；2.廣東省污染控制與修復(fù)材料工程技術(shù)中心,廣東 廣州 50630)

XH02菌強(qiáng)化反應(yīng)器脫氮過(guò)程中菌群結(jié)構(gòu)的高通量分析

黃鄭鄭1,曹 剛1,2*,李紫惠1,陳海升1,莫測(cè)輝1,2(1.暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 510630；2.廣東省污染控制與修復(fù)材料工程技術(shù)中心,廣東 廣州 510630)

為了強(qiáng)化生物反應(yīng)器脫氮以及揭示微生物菌群結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化,以O(shè)chrobactrum anthropi XH02和SBR反應(yīng)器為研究對(duì)象,利用16Sr DNA高通量測(cè)序技術(shù),對(duì)不同時(shí)期反應(yīng)器中微生物的菌群結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析.研究結(jié)果表明,XH02菌的加入使得反應(yīng)器中TN和COD的去除率分別提升了15%和10%以上;反應(yīng)器中微生物菌群在屬水平上的相對(duì)豐度和多樣性呈先下降后上升的趨勢(shì);XH02的加入對(duì)菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響.Acinetobacter、Blvii28和Aquabactenium菌的相對(duì)豐度顯著下降,而Fontibacter和Treponema菌的相對(duì)豐度則在強(qiáng)化過(guò)程中顯著升高;XH02的相對(duì)豐度隨著反應(yīng)器的運(yùn)行逐漸增加,最后形成了較為穩(wěn)定的菌群;主成分分析和UPGMA聚類分析大致把反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程分成4個(gè)階段.

異養(yǎng)硝化-好氧反硝化；生物多樣性；高通量測(cè)序技術(shù)；SBR反應(yīng)器；菌群結(jié)構(gòu)

微生物在水體氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[1].污水中氮素的去除主要通過(guò)微生物菌群的硝化和反硝化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)[2].傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)中硝化和反硝化不能同時(shí)進(jìn)行,必須通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程來(lái)完成.而異養(yǎng)硝化-好氧反硝化脫氮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)完成硝化和反硝化作用,有效縮短了反應(yīng)途徑,且脫氮效率更高、反應(yīng)速率更快.目前,國(guó)內(nèi)外利用異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強(qiáng)化污水脫氮已取得了較好的效果[3-5],但大部分研究只關(guān)注強(qiáng)化過(guò)程的脫氮效率以及影響因素,而對(duì)反應(yīng)器中微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化研究較少.

分子生物學(xué)的快速發(fā)展,為研究微生物菌群結(jié)構(gòu)提供了多種方法,包括 RFLP、16S rRNA文庫(kù)構(gòu)建[7]和 PCR-DGGE[8-9]等.但這些傳統(tǒng)方法效率較低,得到的數(shù)據(jù)信息有限,不能有效、系統(tǒng)地反映群落的豐度和多樣性.而高通量測(cè)序技術(shù)具有通量高、數(shù)據(jù)量大、準(zhǔn)確率高、測(cè)序周期短以及成本低等優(yōu)點(diǎn)[10],在微生物學(xué)研究中具有很強(qiáng)的優(yōu)越性,廣泛應(yīng)用于各種分子生物學(xué)領(lǐng)域[11-15].

本研究將實(shí)驗(yàn)前期篩出的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌Ochrobactrum anthropi XH02活化后投加到 SBR反應(yīng)器中,建立微生物強(qiáng)化系統(tǒng).利用高通量測(cè)序技術(shù)分析加入 XH02菌前后反應(yīng)器中微生物菌群的相對(duì)豐度和多樣性隨著運(yùn)行階段的變化,并對(duì)各階段的微生物菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了主成分分析和聚類分析.以闡明微生物菌群結(jié)構(gòu)隨著反應(yīng)器運(yùn)行的動(dòng)態(tài)演替過(guò)程.為后續(xù)通過(guò)改變環(huán)境條件來(lái)調(diào)控反應(yīng)器中菌群結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高反應(yīng)器處理效率提供依據(jù).以期為污水生物脫氮提供一定的理論和技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌源 從廣州大坦沙污水處理廠好氧污泥中篩選出一株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌XH02[16],經(jīng)過(guò) 16S rDNA鑒定,此菌為人蒼白桿菌(Ochrobactrum anthropi),GenBank的登錄號(hào)為KU999381.

1.1.2 污泥來(lái)源 廣州大坦沙污水處理廠A2/O工藝中的好氧活性污泥.

1.1.3 人工合成水質(zhì) 反應(yīng)器進(jìn)水采用人工配水水質(zhì),如表1所示.

表1 人工合成水質(zhì)Table 1 Water quality of the synthetic wastewater

1.2 SBR反應(yīng)器的建立與運(yùn)行

SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃加工而成,有效容積為1.5L,采用向上流進(jìn)水,利用鼓風(fēng)曝氣,氣水同向運(yùn)行.將新鮮的活性污泥接種于 SBR反應(yīng)器中,周期設(shè)定為12h,進(jìn)水2h,反應(yīng)9h 25min,沉淀30min,出水5min,期間控制進(jìn)水流量為 1L/d,空氣從底部經(jīng)曝氣頭擴(kuò)散進(jìn)入反應(yīng)體系中,用空氣流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量為4.0L/min,溫度控制在30℃左右.加入XH02菌之前,每隔2d測(cè)定出水的各個(gè)指標(biāo),待反應(yīng)器穩(wěn)定后加入XH02,每隔3d測(cè)定出水水質(zhì)指標(biāo).

1.3 取樣方法和檢測(cè)項(xiàng)目

SBR反應(yīng)器在加入XH02之前的穩(wěn)定期,取一份污泥樣品保存.XH02加入反應(yīng)器后,在第2h取樣一次,然后每隔3d取一次污泥樣品,直至21d,共取污泥樣品9份,用于DNA的提取,取污泥樣品的同時(shí),采集出水,并測(cè)定COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的濃度變化.

1.4 細(xì)菌總DNA的提取

每次取污泥樣品 20mL,加入 50mL錐形瓶中,120r/min搖床震蕩10min使污泥破碎均勻.取10mL于15mL的離心管中,8000r/min離心10min,棄去上清液,收集沉淀,上述步驟重復(fù)一次.取5mL新鮮污泥進(jìn)行總DNA的提取[17],設(shè)3個(gè)平行,提取的DNA一部分于-20℃保存,另一部分在0.7%的瓊脂糖凝膠中做電泳檢測(cè),并將電泳條帶進(jìn)行掃描拍照.

1.5 Illumina Miseq高通量測(cè)序

首先進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物為細(xì)菌16Sr DNA引物515F 5′ GTGCCAGCMGCCGCGG 3′;907R 5′ CCGTCAATTCMTTTRAGTTT 3′,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用Illumina Miseq平臺(tái)雙端測(cè)序分析.PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收 PCR產(chǎn)物,2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè).

1.6 微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性分析

多樣性分析前必須對(duì)原始序列去雜,然后進(jìn)行拼接,通過(guò)標(biāo)簽找回每個(gè)樣品對(duì)應(yīng)的序列,低質(zhì)量的序列被去除.質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)包括:無(wú)錯(cuò)配堿基、精確匹配引物和 barcode、無(wú)模糊堿基、長(zhǎng)度大于300bp.采用CD-HIT分類法對(duì)有效數(shù)據(jù)在 97%水平上進(jìn)行OTU劃分,并與 Greengenes數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì),通過(guò)RDPclassifier Naive Bayesian分類算法對(duì)代表序列在門(mén)、綱、目、科和屬5個(gè)水平上進(jìn)行分類注釋.用 Chao指數(shù)公式[18]分析樣品的物種豐度,用 Shannon和 Simpson指數(shù)公式[19]分析樣品的物種多樣性.并用 Canoco和Mothur軟件分別進(jìn)行主成分分析和聚類分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 XH02菌對(duì)COD和氮素的去除特性

菌株XH02對(duì)COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的去除特性見(jiàn)圖 1.如圖 1(a)所示,以 NH4+-N為底物的異養(yǎng)硝化過(guò)程中,第 60h菌株XH02對(duì)COD、TN和NH4+-N的去除率分別為81.10%、62.74%和 95.01%;由圖 1(b)可知,以NO3--N為底物的好氧反硝化過(guò)程中,第60h菌株XH02對(duì)COD、TN和NO3--N的去除率分別為達(dá)到75.73%、70.49%和100%;圖1(c)給出了菌株XH02以NO2--N為底物時(shí)的反硝化過(guò)程,60h時(shí)XH02菌對(duì)COD、TN和NO2--N的去除率分別為86.15%、80.40%和97.35%.

圖1 XH02菌對(duì)COD、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的去除特性Fig.1 Removal characteristics on COD, NH4+-N, NO3--N and NO2--N of XH02

2.2 SBR反應(yīng)器的運(yùn)行過(guò)程

反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖 2(a),在第 1～7d內(nèi)COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的降解呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律變化,這一階段為活性污泥的適應(yīng)期.第7～17d內(nèi),COD、TN、NH4+-N、NO3--N和 NO2--N的去除率顯著升高,這一階段污泥中的菌群已逐漸適應(yīng)環(huán)境,一部分不能適應(yīng)的細(xì)菌被淘汰.從 17d開(kāi)始,反應(yīng)器基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),17～25d內(nèi),COD的去除率分別為 78.05%、77.65%、78.05%、77.38%和79.51%,TN的去除率分別為62.54%、62.79%、64.07%、64.78%和62.02%.反應(yīng)器經(jīng)過(guò)25d的運(yùn)行,啟動(dòng)成功.

圖2 反應(yīng)器的啟動(dòng)和強(qiáng)化階段各指標(biāo)去除率的變化Fig.2 Removal changes of indicators in starting and strengthening phase of the reactor

反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后,第25d將XH02菌加入反應(yīng)器,強(qiáng)化階段開(kāi)始,COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的去除率變化見(jiàn)圖2(b).強(qiáng)化階段的前3d內(nèi),與未加X(jué)H02的反應(yīng)器相比,COD和 TN的去除率出現(xiàn)了下降的趨勢(shì),可能是因?yàn)閄H02的加入,與反應(yīng)器中其他菌群發(fā)生強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng),使整個(gè)反應(yīng)體系內(nèi)的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,一些不適應(yīng)的菌群被淘汰,適應(yīng)的菌群繼續(xù)生長(zhǎng).在3～15d內(nèi),反應(yīng)器對(duì)COD和TN的去除率持續(xù)升高,運(yùn)行至第15d,基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).15～21d內(nèi)COD 的去除率分別為 90.82%、89.58%和90.79%,TN的去除率分別達(dá)到78.17%、76.82%和78.49%.

比較反應(yīng)器的啟動(dòng)和強(qiáng)化兩個(gè)階段,強(qiáng)化反應(yīng)器在第15d對(duì)COD和TN的去除率較原系統(tǒng)分別提高了 15.38%和 13.44%.因此,利用菌劑強(qiáng)化反應(yīng)器去除氮和有機(jī)物是一種有效治理污水的方法.曲洋等[20]的研究中利用菌劑強(qiáng)化反應(yīng)器,也達(dá)到了較好效果,強(qiáng)化系統(tǒng)較原系統(tǒng)對(duì) TN和COD的去除率分別提高了15.24%和5.39%.

2.3 強(qiáng)化反應(yīng)器中菌群的豐度和多樣性分析

反應(yīng)器運(yùn)行各階段的污泥樣品經(jīng)過(guò)高通量測(cè)序得到豐度和多樣性指數(shù)見(jiàn)圖 3.圖 3(a)中Chao指數(shù)的變化趨勢(shì)為先降低再升高,Chao指數(shù)可以表征微生物菌群的相對(duì)豐度,表明反應(yīng)器中微生物菌群的豐度整體變化趨勢(shì)為先降低然后再升高.圖 3(b)和 3(c)中給出了 Shannon和Simpson指數(shù)的變化情況,這兩個(gè)指數(shù)可以表征微生物菌群的多樣性.Shannon指數(shù)和 Simpson指數(shù)對(duì)多樣性的反映情況相似,XH02加入后,0～3d內(nèi)菌群的多樣性先降低后升高,3～6d內(nèi),又迅速降低,6～9d內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),9～21d內(nèi),微生物的多樣性呈現(xiàn)出緩緩上升的趨勢(shì),總體變化趨勢(shì)呈先下降后上升.可能是因?yàn)?XH02加入反應(yīng)器后,要適應(yīng)外界環(huán)境,并與其他微生物強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng),爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,不能適應(yīng)的菌群被淘汰,導(dǎo)致菌群的豐度和多樣性降低.反應(yīng)器運(yùn)行后期,菌群的豐度和多樣性又呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),可能是反應(yīng)器中出現(xiàn)了新的菌屬,也可能是 XH02適應(yīng)環(huán)境后豐度持續(xù)升高,體系內(nèi)形成了新的菌群結(jié)構(gòu),多樣性升高.邵基倫等[21]的研究利用PCR-DGGE技術(shù)分析反應(yīng)器中微生物菌群豐度和多樣性的變化,也呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì).表明不同運(yùn)行階段反應(yīng)器中微生物菌群的豐度和多樣性會(huì)發(fā)生很大的變化,但微生物菌群可以通過(guò)自我調(diào)控來(lái)適應(yīng)環(huán)境.

圖3 豐度指數(shù)與多樣性指數(shù)Fig.3 Abundance index and diversity index

2.4 強(qiáng)化過(guò)程中微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化

2.4.1 16S rDNA序列在門(mén)水平上的對(duì)比 如圖4所示,9個(gè)污泥樣品一共檢測(cè)到了23個(gè)菌門(mén),共有的菌門(mén)為13個(gè),相對(duì)豐度前4的菌門(mén)分別為Proteobacteria(變形菌門(mén))、Bacteroidetes(擬桿菌門(mén))、Firmicutes(厚壁菌門(mén))和 Planctomycetes(浮霉菌門(mén)).其中 Proteobacteria是反應(yīng)器中最優(yōu)勢(shì)的種群,這與 Snaidr等[22-23]的研究結(jié)果類似.XH02加入反應(yīng)器之前,Proteobacteria的相對(duì)豐度為 71.79%,加入目標(biāo)菌后,Proteobacteria的相對(duì)豐度繼續(xù)升高,穩(wěn)定期保持在80%左右,因此XH02對(duì)Proteobacteria的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用,可能是因?yàn)?XH02 的加入,使得原來(lái)和Proteobacteria競(jìng)爭(zhēng)的菌群,與XH02也形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系而被削弱,從而Proteobacteria得到更大的生長(zhǎng)環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)條件,相對(duì)豐度持續(xù)升高. Proteobacteria為革蘭氏陰性菌,多為兼性或?qū)Ｐ詤捬跫爱愷B(yǎng)生活,對(duì)有機(jī)物和氮的去除有重要作用[24].Bacteroidetes在反應(yīng)器運(yùn)行初期相對(duì)豐度為 18.57%,是反應(yīng)器中第二大優(yōu)勢(shì)菌群,到運(yùn)行中期時(shí)降至13%左右,然后又上升,運(yùn)行后期時(shí)升至17.60%,表明XH02的加入與Bacteroidetes形成了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,使得Bacteroidetes生長(zhǎng)受阻,相對(duì)豐度降低,但 Bacteroidetes的適應(yīng)和恢復(fù)能力較強(qiáng),運(yùn)行后期豐度又升高.Bacteroidetes可以降解蛋白質(zhì)等多種復(fù)雜有機(jī)大分子化合物,對(duì)去除COD具有重要作用[25].Firmicutes在反應(yīng)器運(yùn)行開(kāi)始時(shí)的相對(duì)豐度為 6.65%,隨著反應(yīng)器運(yùn)行,一直降低,后期降至 2.50%,可能是因?yàn)?XH02與Firmicutes形成了競(jìng)爭(zhēng)作用,使得Firmicutes的相對(duì)豐度一直降低.Firmicutes屬于革蘭氏陽(yáng)性菌,和乳酸降解有關(guān),對(duì) COD的去除具有重要作用[26]. Planctomycetes的相對(duì)豐度逐漸升高,從運(yùn)行初期的 0.26%到后期升至 0.63%.它在缺氧環(huán)境下可利用亞硝酸鹽氧化銨離子生成氮?dú)鈦?lái)獲得能量,主要參與脫氮過(guò)程[27].

2.4.2 16S rDNA序列在屬水平上的對(duì)比 為了進(jìn)一步闡明反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中微生物群落的演替過(guò)程,在屬水平上,選取豐度前30的物種作群落結(jié)構(gòu)Heatmap圖,如圖5所示,每一列代表一個(gè)樣本,行代表菌屬,色塊代表物種的相對(duì)豐度,顏色越紅表示相對(duì)豐度越高,顏色越綠表示相對(duì)豐度越低.通過(guò)色塊對(duì)比可以觀察群落結(jié)構(gòu)的變化.Thauera(陶厄氏菌屬)、Thermomonas(熱單胞菌屬)和Flavobacterium (黃桿菌屬)在反應(yīng)器運(yùn)行期間占主導(dǎo)地位,它們對(duì)氮和有機(jī)物的去除都具有重要作用[28-30].其中Thauera、Thermomonas屬于變形菌門(mén)(Proteobacteria),Flavobacterium 屬于擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes).Thauera是反應(yīng)器中最占優(yōu)勢(shì)的菌屬,反應(yīng)器運(yùn)行初期的相對(duì)豐度為38.30%,隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,Thauera的相對(duì)豐度上升,中期升高至 50.63%,運(yùn)行后期又下降至 35.06%. XH02的加入促進(jìn)了Thauera的生長(zhǎng),后期下降可能是因?yàn)榉磻?yīng)器中形成了新的菌群結(jié)構(gòu),產(chǎn)生了新的菌屬,與之競(jìng)爭(zhēng).Thermomonas在加入 XH02之前的相對(duì)豐度為 4.49%,加入 XH02后, Thermomonas的相對(duì)豐度呈現(xiàn)出緩緩下降的趨勢(shì),在運(yùn)行后期降至 2.37%,可能是因?yàn)?XH02與Thermomonas形成了競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系,致使Thermomonas的含量下降.Flavobacterium在反應(yīng)器運(yùn)行中相對(duì)豐度的變化趨勢(shì)為持續(xù)下降,從反應(yīng)器運(yùn)行初期的4.07%降至運(yùn)行后期的2.21%.

圖4 門(mén)水平上微生物相對(duì)豐度的變化Fig.4 Changes in relative abundance of microorganisms at the phylum level

圖 6 顯 示 了 XH02(Ochrobactrum)、Fontibacter、Treponema等菌在反應(yīng)器運(yùn)行各階段相對(duì)豐度的變化.如圖6(a)所示,XH02在反應(yīng)器運(yùn)行初期的相對(duì)豐度為 0.02%,隨著反應(yīng)器運(yùn)行,XH02的相對(duì)豐度持續(xù)升高,在反應(yīng)器運(yùn)行中期趨于穩(wěn)定,最高達(dá)到0.11%,后期又呈現(xiàn)降低然后再升高的趨勢(shì),但未成為反應(yīng)器中豐度最高的菌屬,可能是因?yàn)橥都泳闤H02的量較少,也可能是反應(yīng)器中一直存在著抑制XH02生長(zhǎng)的菌群.

圖5 菌屬的豐度熱圖Fig.5 Heatmap of bacterial community at the genus level

圖6 菌屬的豐度變化Fig.6 Abundance variation at the genus level

由圖 6(b)可知,XH02加入反應(yīng)器后,使得Fontibacter、Treponema的相對(duì)豐度隨著反應(yīng)器運(yùn)行逐漸升高.而圖6(c)中Acinetobacter、Blvii28和Aquabactenium的相對(duì)豐度隨著反應(yīng)器運(yùn)行逐漸降低.因此,XH02加入反應(yīng)器后,與其他菌群競(jìng)爭(zhēng)外部環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)條件,致使某些菌群的豐度升高或降低,隨著反應(yīng)器的持續(xù)運(yùn)行,會(huì)形成新的菌群結(jié)構(gòu).

2.5 不同階段的微生物菌群結(jié)構(gòu)分析

2.5.1 微生物菌群的主成分分析 對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中9個(gè)污泥樣品的OTU組成進(jìn)行主成分分析,通過(guò)方差分解,將多組數(shù)據(jù)的差異反映在PCA圖上,樣本間的分散和聚集可以反映菌群結(jié)構(gòu)的相似程度.菌群結(jié)構(gòu)組成越相似,表現(xiàn)在PCA圖中的距離越近,反之則越分散.通過(guò)主成分分析可以揭示反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中不同階段微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律[31-32].如圖7所示,可以明顯看出反應(yīng)器運(yùn)行 0～3d內(nèi)各樣品距離較遠(yuǎn),說(shuō)明運(yùn)行前期反應(yīng)器中的微生物種類相似度低,可能是因?yàn)?XH02加入后,與反應(yīng)器中其他菌群發(fā)生著強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng),使得群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化.6～15d內(nèi)的4個(gè)樣品距離較近,表明各樣品中微生物種類相似度較高,反應(yīng)器在此段時(shí)間內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),6～15d與18～21d的樣品之間有一定的距離,說(shuō)明反應(yīng)器運(yùn)行后期,微生物群落結(jié)構(gòu)有一定的變化,可能是因?yàn)楫a(chǎn)生了新的菌群.因此,可以將反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程分成4個(gè)不同的階段.表明XH02菌加入反應(yīng)器后,菌群結(jié)構(gòu)隨著強(qiáng)化的不同時(shí)段而改變,更清楚地反映了反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中菌群的演替過(guò)程.

2.5.2 微生物菌群的聚類分析 微生物菌群變化分析可能由于統(tǒng)計(jì)模型的不同而產(chǎn)生差異[33-34],聚類分析能夠較好地反映菌群結(jié)構(gòu)變化與反應(yīng)器運(yùn)行的聯(lián)系[21].對(duì) 9個(gè)樣品檢測(cè)到的功能基因進(jìn)行UPGMA聚類分析,結(jié)果見(jiàn)圖8,由圖可知,2h的菌群在強(qiáng)化初期,處于不穩(wěn)定的狀態(tài);3d時(shí)反應(yīng)器內(nèi)菌群競(jìng)爭(zhēng)激烈,群落結(jié)構(gòu)較之前不同;6～15d這一階段各菌群相似性高,聚為一類; 18d和21d的菌群相似,較6～15d的菌群不同,聚為一類.因此,強(qiáng)化反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程分為4個(gè)階段,分別為2h、3d、6～15d和18d～21d.表明反應(yīng)器在不同運(yùn)行階段,微生物群落存在著一定的演變關(guān)系,經(jīng)過(guò)演替最終會(huì)形成較穩(wěn)定的菌群結(jié)構(gòu).菌群這一變化情況與主成分分析的結(jié)果較為一致.

圖7 菌群的主成分分析Fig.7 Principal component analysis of bacterial community

圖8 菌群的UPGMA聚類分析Fig.8 Cluster analysis of bacterial community by UPGMA

3 結(jié)論

3.1 XH02菌強(qiáng)化反應(yīng)器去除有機(jī)物和脫氮有較好的效果,TN和 COD的去除率分別提高了15%和10%以上.

3.2 反應(yīng)器中微生物菌群在屬水平上的相對(duì)豐度和多樣性變化呈先下降后上升的趨勢(shì), Acinetobacter、Blvii28和Aquabactenium菌的相對(duì)豐度顯著下降,而Fontibacter和Treponema菌的相對(duì)豐度顯著升高,最終形成較穩(wěn)定的菌群.

3.3 XH02加入反應(yīng)器后其相對(duì)豐度呈逐漸增加的趨勢(shì),后期上下波動(dòng),但未成為菌群系統(tǒng)中最優(yōu)勢(shì)的種群.

3.4 主成分分析和UPGMA聚類分析大致把反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程分為4個(gè)階段,分別對(duì)應(yīng)于0～2h、3d、6～15d和18～21d.

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High-throughput sequencing analysis of community structure in reactor enhanced by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification bacteria XH02.

HUANG Zheng-zheng1, CAO Gang1,2*, LI Zi-hui1, CHEN Hai-sheng1, MO Ce-hui1,2(1.School of Environment, Jinan University, Guangzhou 510630, China；2.Guangdong Engineering Center for Environment Contamination Control and Restorative Materials, Guangzhou 510630, China). China Environmental science, 2017,37(5)：1922～1929

To improve the denitrification of bio-reactor and reveal dynamic changes of microbial community structure over time, the microbial community structure and diversity were analyzed by high-throughput sequencing technology in different stages of the SBR reactor inoculated with heterotrophic nitrification-aerobic denitrification XH02. Results showed that the removal rates of TN and COD increased by more than 15% and 10%, respectively. The relative abundance and diversity of microbial flora on the genus level decreased at first and then increased. XH02 exerted a great influence on the microbial community structure of indigenous microorganisms, leading to a significant decrease in the relative abundance of Acinetobacter, Blvii28 and Aquabactenium, but a visible increase in the relative abundance of Treponema and Fontibacter. The relative abundance of XH02 increased gradually with the operation of the reactor until a relatively stable flora was finally established. The SBR operation was roughly divided into four stages based on the results of principal component analysis (PCA) and UPGMA cluster analysis.

heterotrophic nitrification-aerobic denitrification；biological diversity；high throughput sequencing technology；SBR；microbial community structure

X172

A

1000-6923(2017)05-1922-08

黃鄭鄭(1991-),男,河南洛陽(yáng)人,暨南大學(xué)碩士研究生,主要從事污水生物脫氮的相關(guān)研究.

2016-09-22

國(guó)家基金委-廣東省政府聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1501233);廣東省基金研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2016A030312009);廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)材料工程技術(shù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目(2015B090903070)

* 責(zé)任作者, 副教授, cao_g@163.com