基于16srrna-hiseq2000的污水處理廠活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析

基于16srrna-hiseq2000的污水處理廠活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，江南水城處理面臨著許多挑戰(zhàn)。特別是隨著城市化進(jìn)程的加快，污水處理負(fù)荷越來(lái)越大，污水處理廠的標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)和重建任務(wù)也非常緊迫?；钚晕勰喾ㄒ殉蔀槌鞘猩钗鬯凸I(yè)廢水處理的主流工藝，而微生物是污水生物處理系統(tǒng)中碳、氮、磷等污染物去除的主體，污泥沉降性能的變化與系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)菌群的演替密切相關(guān)本文依托Illumina-HiSeq2000高通量測(cè)序平臺(tái)，利用細(xì)菌的16SrRNA基因序列和真菌的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)ITS序列，分析探討了重慶某污水處理廠在ARES系統(tǒng)啟動(dòng)前后該污水處理廠活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其與污水處理效果的相關(guān)性，以期獲得更多更全面的活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性信息，并為ARES技術(shù)在污水處理中的規(guī)?；茝V應(yīng)用提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)重慶市某污水處理廠引入ARES系統(tǒng)改造后相比在原A該污水處理廠引入ARES系統(tǒng)前后的進(jìn)出水水質(zhì)情況如表1所示。改造前數(shù)據(jù)為2018年1月至2018年8月污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)，改造后數(shù)據(jù)為2018年9月至2019年5月污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源由污水處理廠提供。該污水處理廠在ARES啟動(dòng)前通過(guò)補(bǔ)充外源碳源葡萄糖，維持了系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)1.2采樣時(shí)間及采樣點(diǎn)活性污泥樣品采自重慶某污水處理廠ARES啟動(dòng)后正常運(yùn)行期(2019年5月)，采樣點(diǎn)為光化生物池(N1)、厭氧池(N2)、缺氧池(N3)、好氧池(N4)4個(gè)功能單元；該污水處理廠改造前的活性污泥樣品采樣時(shí)間為2018年5月份，采樣點(diǎn)為厭氧池(N5)、缺氧池(N6)、好氧池(N7)3個(gè)功能單元。以每個(gè)單元多點(diǎn)混合的方式進(jìn)行采集，活性污泥樣品采集后立即置于冰盒帶回放置-80℃條件下保存。1.3srrna擴(kuò)增檢測(cè)采用QIAGENDNeasyPowerSoilKit(100)試劑盒提取樣本DNA，采用Bio-Tek微孔板分光光度計(jì)對(duì)DNA濃度和質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。以提取的DNA為模板，分別用343F(5′-TACGGRAGGCAGCAG-3′)和798R(5′-AGGGTATCTAATCCT-3′)擴(kuò)增細(xì)菌16SrRNA基因片段。用ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′)和ITS2-(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)擴(kuò)增真菌ITSrRNA基因片段2結(jié)果與分析2.1菌體豐富度測(cè)定結(jié)果本研究中A7個(gè)單元樣品中細(xì)菌的Rank-Abundance曲線在橫坐標(biāo)的寬度和線條陡度走勢(shì)相近(圖2A)，進(jìn)一步說(shuō)明ARES系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)各單元物種豐富度和均勻度影響不大，只是光化生物池和缺氧區(qū)單元細(xì)菌豐富度與啟動(dòng)前后其他單元的物種豐富度略有區(qū)別。7個(gè)單元樣品中真菌的Rank-Abundance曲線在橫坐標(biāo)的寬度和線條走勢(shì)呈顯著差異，ARES系統(tǒng)啟動(dòng)后各單元的真菌物種豐富度升高，均勻度呈更均勻趨勢(shì)(圖2B)。2.2res啟動(dòng)前后各單元相對(duì)豐度的變化在A在細(xì)菌屬水平(圖4)上，ARES啟動(dòng)前后各單元樣品相對(duì)豐度變化明顯，其中ARES啟動(dòng)前的豐富類群Haliangium屬和Denitratisoma屬變化較大，其中Haliangium屬在ARES啟動(dòng)后各單元中的相對(duì)豐度呈現(xiàn)顯著下降，由啟動(dòng)前的8.04%–9.19%下降到啟動(dòng)后的3.35%–5.41%。Denitratisoma屬在ARES啟動(dòng)后各單元相對(duì)豐度升高，由啟動(dòng)前的3.82%–4.09%上升到啟動(dòng)后的4.85%–7.27%。脫氯菌屬Dechloromonas在ARES啟動(dòng)前相對(duì)豐度為0.67%–0.76%,ARES啟動(dòng)后光化生物池相對(duì)豐度達(dá)到2.18%，進(jìn)而使得啟動(dòng)后各功能區(qū)相對(duì)豐度上升，尤其是缺氧區(qū)和好氧區(qū)分別上升至2.14%和1.836%。硝化螺菌屬NitrospiraARES啟動(dòng)前后相對(duì)豐度變化不大，均在3%左右。Nakamurella屬在啟動(dòng)前相對(duì)豐度為0.96%–1.11%,ARES啟動(dòng)運(yùn)行10個(gè)月后，系統(tǒng)中該菌屬除了厭氧區(qū)相對(duì)豐度降為0.55%外，其余各單元的相對(duì)豐度上升到3.14%–3.43%，其中光化器系統(tǒng)中該菌屬的相對(duì)豐度為3.58%。Ferruginibacter屬，啟動(dòng)前相對(duì)豐度為0.36%–0.48%,ARES啟動(dòng)運(yùn)行10個(gè)月后，該菌屬的相對(duì)豐度上升到1.22%–3.49%，其中光化器中該屬的相對(duì)豐度為1.65%。弓形菌屬Arcobacter,ARES啟動(dòng)后各單元相對(duì)豐度呈現(xiàn)顯著下降，由啟動(dòng)前的1.71%–3.67%下降到0.02%–0.31%，其中光化生物池中該菌屬的相對(duì)豐度僅為0.02%。2.3關(guān)于真菌啟動(dòng)前的相對(duì)豐度真菌群落是水生生物食物網(wǎng)的重要組成部分，在淡水湖生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用在真菌屬水平上(圖6)7個(gè)單元活性污泥樣品真菌群落相對(duì)豐度大于1%的菌包括14個(gè)屬，這14個(gè)屬占整體測(cè)序真菌總量的80%–91%，其中羅茲菌屬Rozellomycotasp.在啟動(dòng)前真菌群落內(nèi)的相對(duì)豐度占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)為45.36%–48.05%，而ARES啟動(dòng)后相對(duì)豐度顯著降低為1.28%–2.65%。蟲(chóng)霉菌屬Entomophthoraceaesp.和球囊菌屬Glomeromycotasp.在啟動(dòng)前不同工藝單元幾乎檢測(cè)不到，相對(duì)豐度均≤0.05%，但是在ARES系統(tǒng)運(yùn)行10個(gè)月后，系統(tǒng)中蟲(chóng)霉菌屬Entomophthoraceaesp.相對(duì)豐度上升至31.39%–37.55%左右，占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，球囊菌屬Glomeromycotasp.相對(duì)豐度由ARES啟動(dòng)前0.01%–0.02%上升為啟動(dòng)后的6.28%–13.85%。Xylochrysislucida在ARES啟動(dòng)后系統(tǒng)中各單元相對(duì)豐度呈顯著下降，由啟動(dòng)前的4.62%–6.43%下降到0.36%–2.75%。2.4ors啟動(dòng)前后a基于Bray-Curtis相異(不僅考慮樣本中物種的有無(wú)，而且還考慮不同物種的相對(duì)豐度)和Jaccard(只考慮樣本中物種的有無(wú)，不考慮相對(duì)豐度)相似距離矩陣進(jìn)行主坐標(biāo)分析(Principalcoordinatesanalysis,PCoA)，結(jié)果表明，兩種分析在第一主分上，ARES啟動(dòng)前和啟動(dòng)后的群落結(jié)構(gòu)均可顯著分離(圖7)，說(shuō)明ARES啟動(dòng)前和啟動(dòng)后的群落結(jié)構(gòu)間存在明顯差異。層次聚類可以直觀地展示各樣本群落結(jié)構(gòu)的相似程度(圖8)，可見(jiàn)ARES啟動(dòng)前明顯區(qū)別于啟動(dòng)后，ARES啟動(dòng)后各功能區(qū)較為相似，啟動(dòng)前各功能區(qū)更相似，即ARES啟動(dòng)顯著影響A3污水生物處理中污染物的去除ARES系統(tǒng)作為新型處理工藝由光化合反應(yīng)器和生物酶構(gòu)成，該系統(tǒng)通過(guò)電氣石和發(fā)熱板與傳統(tǒng)的曝氣方式相結(jié)合，為污泥中微生物提供適合生長(zhǎng)的光線和熱能，具有高效能、抗沖擊能力強(qiáng)、出水穩(wěn)定等特點(diǎn)微生物是污水生物處理系統(tǒng)中碳、氮、磷等污染物去除的主體。通過(guò)對(duì)ARES啟動(dòng)前后系統(tǒng)各單元中群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)菌群分析表明，變形菌門(Proteobacteria)在ARES技術(shù)啟動(dòng)前后各單元的相對(duì)豐度為45.90%–55.33%，其中與脫氮相關(guān)的β-變性菌綱在ARES系統(tǒng)啟動(dòng)后相對(duì)豐度升高，有研究表明該菌門在好