典型水体中nirS型反硝化菌群结构与脱氮特性研究

作     者：钊珍芳 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张海涵;陈胜男

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：nirS型反硝化细菌 脱氮特性 高通量测序 稳定同位素 

摘      要：反硝化细菌种群微生态结构与水体氮素循环密切相关,驱动水圈中氮素流动和物质循环,研究不同营养化水体中反硝化细菌种群特征对揭示典型水体内源氮素污染负荷,研发微生物修复技术具有重要科学意义。本研究选取微污染(水源水库)、中度污染(城市内湖)及重度污染(污水处理厂)水体,在分析不同污染程度水体水质参数的基础上,运用高通量DNA测序技术诊断nirS型反硝化细菌种群结构,以期探究不同污染类型的水体水质与nirS型反硝化细菌种群结构多样性的偶联机制;基于选择性培养基耦合超声预处理技术,成功驯化筛分得到高效好氧反硝化细菌,对高效菌群脱氮特性进行研究,并采用C-MFA代谢流技术诊断一株高效好氧反硝化细菌碳代谢通路,为好氧反硝化细菌的工程应用提供科学依据和理论支撑。研究结果包括:(1)针对水源水库研究结果表明:未分类的菌属所占比例较大,均在65%以上。金盆水库水体的优势反硝化菌属为副球菌属(10.7%)和固氮弧菌属(9.6%);李家河水库水体的优势反硝化菌属为脱氯单胞菌属(10.8%)和固氮弧菌属(8.1%)。冗余分析可见,不同月份水质对nirS型反硝化菌群结构的影响差异显著(P0.01)。结果表明,水源水库水质因子综合调控nirS型反硝化细菌种群的组成和分布。(2)针对典型城市内湖研究表明:不同城市内湖景观水体水质存在显著性差异(P0.01)。高通量DNA测序表明优势菌门为变形菌(79.8%)和厚壁菌(1.8%);优势菌属为嗜脂环物菌属、脱氯单胞菌属和副球菌属等。不同城市内湖中的反硝化细菌群落受氨氮、锰和藻细胞浓度的综合调控。变分分析表明,在自然胁迫构建反硝化细菌群落中,地理位置比水质因素影响显著。(3)针对典型污水处理系统研究表明:不同污水处理系统中,nirS基因丰度在4.6×10.4×10/ng DNA。各污水处理系统的总氮去除率为25.84%,与多样性指数呈正相关,而丰度覆盖估计指数随纬度的增加而降低。所有样本的优势菌均为变形杆菌,占整个序列的46.23%。优势菌属有陶厄氏菌属、嗜脂环物菌属和假单胞菌属等。网络分析表明,优势菌属之间的交互作用对调控碳、氮去除行为至关重要。多变量统计分析表明,地理位置和废水因子共同调控污水处理系统nirS型反硝化细菌群落的分布格局。(4)采用超声波辅助技术从沉积物中成功分离出三组新型的混合菌群,对硝酸盐氮和总有机碳的去除率分别为99%和97%。nirS基因测序表明优势菌门为厚壁菌和变形菌。混合菌群的相对丰度随着培养时间而变化。网络分析表明,Bacillus subtilis,Pseudomonas stutzeri,Rhodococcus sp.等的交互作用共同驱动总氮和化学需氧量的去除效果,混合菌群对实际污水中总氮和化学需氧量的去除率分别为86%和93%。(5)成功分离筛选得到1株高效好氧反硝化细菌,基于C-MFA稳定同位素标记诊断其代谢通路,并用16S rRNA技术鉴定为脱氮副球菌。氮平衡表明,约71.88%的初始氮以气体形式去除,21.53%被转化为生物量。响应曲面揭示了脱氮最优条件:碳氮比7.47、转速108 r/min、温度31℃、pH初始值8.02。对三个污水处理厂实际污水平均总氮和化学需氧量去除率分别89%和91%,显著高于污水处理厂脱氮处理工艺。