污水廠大數(shù)據(jù)|波蘭丹麥兩國(guó)污水廠微生物有何不同嗎？

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:自2006年起，丹麥超過(guò)50座污水廠(都包含脫氮除磷工序)加入一個(gè)名為MiDas-DK的研究項(xiàng)目中來(lái)。MiDas-DK是丹麥脫氮除磷活性污泥污水廠微生物數(shù)據(jù)庫(kù)(TheMicrobialDatabaseforDanishActivatedSludgeWastewaterTreatmentPlantswithNutrientRemoval)的簡(jiǎn)稱。該項(xiàng)目的是要為這些污水廠建立活性污泥微生物數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用的分析技術(shù)就是基于16SRNA擴(kuò)增子測(cè)序和深度宏基因組學(xué)的量化FISH熒光原位雜交技術(shù)。

過(guò)十年的積累，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)成為一個(gè)非常強(qiáng)大的研究活性污泥生態(tài)系統(tǒng)的輔助工具，它幫助丹麥的研究人員優(yōu)化污水廠的運(yùn)行。他們的愿景是希望世界各地的同行受此啟發(fā)，建立例如在巴西、中國(guó)和地球其他角落的類似的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)這些數(shù)據(jù)匯總在一起，當(dāng)它足夠多的時(shí)候，就能成為例如污水界的Google，使科學(xué)家獲得對(duì)污水工程設(shè)計(jì)更深更全面的理解。

來(lái)自波蘭華沙理工大學(xué)和華沙大學(xué)的兩位科學(xué)家Muszynski和Miłobędzka就對(duì)此做出了響應(yīng)，效仿丹麥的做法，對(duì)波蘭的兩座活性污泥工藝的污水廠的微生物群落進(jìn)行了為期兩年的跟蹤分析。

在此之前，波蘭的污水廠并有通過(guò)分子微生物技術(shù)獲取的可靠的微生物數(shù)據(jù)庫(kù)。在這篇研究報(bào)告里，他們采用16S核糖體RNA擴(kuò)增子的Illumina測(cè)序技術(shù)，找出了豐度最高（mostaboundent）的菌種，并分析他們?cè)谙到y(tǒng)中的潛在功能，以及隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)情況，以此檢驗(yàn)它們是否包含在丹麥污水廠的核心細(xì)菌群落里。

數(shù)據(jù)來(lái)源

研究中考察的兩座波蘭污水廠處理的都是市政污水，而且規(guī)模相當(dāng)，處理能力人口當(dāng)量PE分別為73,400人和76,000人。兩座廠都有初沉池、以及生物脫氮除磷工序，但包含化學(xué)除磷。硝化池使用微孔曝氣器。

兩座廠主要區(qū)別在于反應(yīng)池的結(jié)構(gòu)和主要的技術(shù)參數(shù)。1號(hào)污水廠使用A2O反應(yīng)器，另加前置反硝化和硝化器。2號(hào)污水廠使用UCT工藝（南非開(kāi)普敦大學(xué)研發(fā)的）。在2012-2014年的研究期間，1號(hào)污水廠出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重的污泥膨脹問(wèn)題，還有脫氮表現(xiàn)欠佳的情況，2號(hào)污水廠的問(wèn)題大多是活性污泥的沉降和泡沫的形成。兩個(gè)廠的具體工藝細(xì)節(jié)和運(yùn)行表現(xiàn)不在這里詳述，大家下載原文查看它的補(bǔ)充材料了解詳情。

活性污泥的隨機(jī)樣品每年采集兩次，每個(gè)樣品為100ml（3月初和9月末），采樣點(diǎn)為好氧曝氣池離池面30cm深的位置，然后冷凍保存直至用于DNA提取。

DNA測(cè)序由丹麥Aalborg的DNAsenseApS公司的設(shè)備操作，目的是測(cè)量微生物群落豐度，通過(guò)使用丹麥的設(shè)備也能更好地和丹麥的情況做對(duì)比。然后使用R統(tǒng)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

核心群落的特征、豐度和從屬關(guān)系

分析結(jié)果顯示的優(yōu)勢(shì)菌種是蛋白菌門(Proteobacteria)和擬桿菌(Bacteroidetes)。下圖圖1展示的是它們?cè)跍y(cè)試污水廠的活性污泥中的平均豐度（擴(kuò)增子對(duì)的百分比），圖2展示的是它們的季節(jié)性變化。

圖1  數(shù)量最多的豐度最高的30種細(xì)菌的功能、身份和豐度的對(duì)比

圖2 30種豐度最高的細(xì)菌在波蘭污水廠的季節(jié)變化情況；冬天和夏天過(guò)后豐度變高的細(xì)菌分別用深灰和淺灰標(biāo)出

這30種豐度最高細(xì)菌組占了微生物群落的半數(shù)組成，每組的平均豐度范圍為0.7-9%。圖1也顯示了對(duì)應(yīng)的門(phylum)、種(genus)或者OTU數(shù)。異養(yǎng)反硝化優(yōu)勢(shì)菌紅環(huán)菌種Rhodoferax的豐度在其中一次采樣里高達(dá)20%（平均值為9%）。排名第二的是黃桿菌Flavobacterium（兩個(gè)廠的數(shù)值分別為3.8%和5.1%）它和其他三個(gè)擬桿菌門的菌種（QEDR3BF09(3.1%),PHOS–HE28(2.6%),CYCU–0281(2%)）在活性污泥微生物群落里還沒(méi)有給出特定的功能。大部分的菌種（18種已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的和5種未被鑒定出的OTUs）屬于丹麥團(tuán)隊(duì)之前劃分出核心群落名單的菌種。

季節(jié)變化和污水廠對(duì)細(xì)菌豐度的影響

我們可以從圖2中看出13種菌豐度的顯著變化，從而反映出溫度變化。其中，QEDR3BF09（至今沒(méi)被研究過(guò)，屬于腐螺旋菌Saprospiraceae）、CandidatusAccumulibacter(變形桿菌、異養(yǎng)反硝化、聚磷菌PAO)、cladeOM27和SBR1029(絲狀綠彎菌)的豐度在夏天之后增加了。

屬于變形桿菌的紅環(huán)菌種Rhodoferax、弓形桿菌Arcobacter、脫氯單胞菌Dechloromonas,紅細(xì)菌目Rhodobacter簡(jiǎn)單螺旋形菌Simplicispira,貝塔變形菌CandidatusNitrotoga和擬桿菌門的Flavobacterium、PHOS–HE28和OTU_371則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，它們?cè)诙爝^(guò)后的豐度才增加。兩座污水廠同一菌種的細(xì)菌豐度作為兩組獨(dú)立數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)待，兩位科學(xué)家使用Student’st-檢驗(yàn)（針對(duì)獨(dú)立樣本）來(lái)對(duì)比兩組數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示污水廠本身的影響性只有Ferruginibacter這菌種上較為顯著。