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饮用水生物滤池中微生物群落研究进展
更新时间:2016-12-28 来源:《净水技术》 作者:李涛

摘要:生物滤池内的微生物对污染物的降解或转化发挥着极其重要的作用。目前通过传统分离培养法得到菌种仍然很少,该文介绍了多种分子生物学技术用于解析饮用水生物滤池细菌群落结构,并总结了细菌群落结构的影响因素。此外,还介绍了硝化细菌群落结构及其影响因素。

随着地表水水质日益恶化,我国很多地区的自来水厂的混凝、沉淀、过滤和加氯消毒传统净水工艺已经难以有效地去除原水中的有机物和氨氮污染,饮用安全性面临挑战。饮用水生物处理具有运转费用低、运行管理方便、去除效果好等优点,因此饮用水生物滤池的应用在国内外备受重视。在饮用水生物滤池中,填料上附着生长的生物膜是整个生物滤池的核心,生长良好的生物膜是生物膜反应器稳定运行的基础。目前国内外关于生物膜的生物量和生物活性的研究报道已经很多[1-3],然而生物膜功能的发挥不仅与生物量和生物活性有关,还与微生物群落结构有十分密切的关系[4]。因而对饮用水生物滤池内微生物群落结构的了解将有助于明晰生物膜的生态功能和揭示污染物的去除机制,从而为设计和运行管理饮用水生物滤池提供必要的科学依据。

本文总结饮用水生物滤池的微生物生态学的国内外研究进展,并着重揭示微生物群落结构与环境因素的联系,为饮用水生物工艺的研究和工程实践提供参考。

1 饮用水生物滤池中细菌群落结构及其影响因素

以往对饮用水生物滤池中细菌群落结构的了解主要是基于传统分离培养法,而现代分子生物学技术大大促进了人们对饮用水生物滤池中细菌群落结构及其影响因素的认识。表1 概况了国内外饮用水生物滤池中细菌群落结构的主要研究成果。传统的微生物学方法( 如显微镜观察、微生物计数、纯种分离纯化等) 利用微生物的培养特点、生理生化特性、遗传和生态特性等对微生物进行研究[5]。Ko 等[3]从生物活性炭( BAC) 表面进行细菌的分离研究,发现除优势菌棒形杆菌属( Clavibacter)和棒状杆菌属( Corynebacterium) 外,还存在嗜酸菌属( Acidovorax) 、鞘氨醇单胞菌( Sphingomonas) 、产黄菌属( Flavobacterium ) 、纤维单胞菌属( Cellulomonas ) 、沙雷氏菌属( Serratia ) 、红球菌( Rhodococcus) 和短波单胞菌属( Brevundimonas) 。向红等[6]发现生物活性炭滤池与生物强化滤池中可培养的主要优势菌为巨大芽胞杆菌、短小芽胞杆菌、蜡样芽胞杆菌、弗劳地枸橼酸杆菌、豚鼠气单胞菌、恶臭假单胞菌和肺炎克雷氏菌等。Magic-Knezev 等[7]从21 个活性炭滤池中分离得到的细菌中发现68% 的分离菌属于β 变形杆菌纲( Betaproteobacteria) , 25%分离菌属于α 变形杆菌纲( Alphaproteobacteria) ; 而Polaromonas 和氢噬胞菌属( Hydrogenophaga) 是主要的细菌菌属。Niemi 等[8]也发现饮用水生物滤池中的细菌主要是β 变形杆菌纲。然而,自然界中绝大部分细菌无法用传统的培养方法进行分离培养,实验室可分离培养的细菌只占细菌总数的0. 1% ~1%,因而传统培养法往往严重低估了生物滤池中微生物的多样性。此外,传统分离培养方法具有偶然性、时间长、手续繁琐等缺点,因而它的应用受到很大的制约。

近年来,随着分子生物学技术的发展,研究者能更准确更全面地认识饮用水生物滤池中微生物的多样性,摆脱了传统的分离培养方法不能完整反映生态系统全部信息的束缚。Liu 等[9]首先将末端限制性片段长度多态性( terminal restriction fragmentlength polymorphism,TRFLP) 技术应用于环境微生物群落分析中,为人们分析和比较环境样品微生物

群落结构的组成提供了新的有力手段。TRFLP 技术以PCR 技术为基础,将PCR 引物中的一条加以荧光标记,扩增产物16S rDNA 用合适的限制性内切酶酶切,形成一系列末端荧光标记的16SrDNA 片段,从而确定微生物群落的结构及组成多样性,从而准确分析微生物的丰度及变化[5, 10]。Kasuga 等[11]利用TRFLP 技术进行饮用水生物滤池细菌群落结构的研究,发现反冲洗能够显著影响BAC 系统中细菌群落结构。

单链构象多态性( single strand conformationpolymorphism,SSCP) 分析是利用DNA 或RNA 单链构象具有多态性的特点,结合PCR 技术进行基因检测的一种分析技术,称为PCR-SSCP 技术。向红等[6]采用SSCP 技术对生物活性炭滤池与生物强化净水工艺中的细菌群落结构和多样性进行分析,发现填料中细菌群落的SSCP 图谱差异不大,各生物滤池中的主要群落结构和组成基本一致。刘小琳等[12]采用SSCP 技术和测序技术相结合分析了用于饮用水处理的生物陶粒和生物活性炭上的微生物群落结构,发现生物陶粒上的1 种细菌与uncultured Pseudomonassp. clone FTL201 相似; 生物活性炭上的2 种细菌分别与Bacillus sp. JH19 和BacteriumVA-S-11 相似。

变性梯度凝胶电泳( denaturing gradient gelelectrophoresis,DGGE) 技术在1993 年首次应用于环境微生物群落结构的研究。DGGE 技术能方便地比较分析不同环境的微生物样本,因此DGGE 技术已经广泛用于微生物分子生态学的各研究领域[5]。目前DGGE 技术在解析饮用水生物滤池中细菌群落方面得到了相对较多的应用。王振宇等[13] 利用DGGE 技术对BAC 上的微生物群落结构进行了解析,发现随着运行时间的增加,BAC 系统中菌群结构的相似程度和种群的多样性( 条带数) 逐渐增高。Boon 等[14]采用DGGE 技术分析了BAC 系统中细菌群落的沿程变化,发现细菌群落多样性由上至下逐渐增加,而在滤池连续运行80 d 后细菌群落多样性达到稳定,均匀性增加。Yang 等[15]发现β 变形杆菌纲是BAC 系统中的优势菌,而水力停留时间能够影响BAC 系统中的细菌群落多样性。

Soonglerdsongpha 等[16]也发现运行周期或接触时间对BAC 系统中的细菌群落有影响。Fonseca 等[17]发现臭氧投加量和温度能够影响BAC 系统中的细菌群落。Zhang 等[18]发现BAC 系统连续运行9 个月后,BAC 系统中细菌群落结构才达到稳定,而此时BAC 系统中优势菌是假单胞菌( Pseudomonas) 、杆状菌属( Bacillus) 和硝化螺菌属( Nitrospira) 。此外,Zhang 等[19]发现饮用水生物滤池中大肠杆菌( Escherichia) 、志贺氏杆菌属( Shigella) 和厚壁菌门( Firmicutes) 是主要优势菌。

版权、出处:《净水技术》

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