氨氧化古菌的富集及其在污水土地處理系統(tǒng)中的特性

【摘要】：長(zhǎng)期以來(lái),氨氧化細(xì)菌(Ammonia oxidizing bacteria,簡(jiǎn)稱AOB)被認(rèn)為是污水處理系統(tǒng)中主要的氨氧化微生物。近年來(lái),研究者在一些環(huán)境(包括低溶解氧)中發(fā)現(xiàn)了氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,簡(jiǎn)稱AOA),并確認(rèn)了其氨氧化功能,預(yù)示了其在污水處理系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性。由于AOA的發(fā)現(xiàn)歷史較短,對(duì)其認(rèn)識(shí)尚十分有限。為此,本文系統(tǒng)研究了AOA的分布條件、富集及其在污水土地處理系統(tǒng)中的特性。目的是深入認(rèn)識(shí)其特性,為其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction,簡(jiǎn)稱PCR)、克隆文庫(kù)及定量PCR等分子生物學(xué)方法,分析了7個(gè)高原農(nóng)業(yè)土壤樣品中AOA的豐度分布、群落結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)條件。發(fā)現(xiàn)AOA在氨氧化微生物豐度中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),土壤的總氮和有機(jī)碳等性質(zhì)影響AOA群落優(yōu)勢(shì)菌株的分布。采用高通量測(cè)序技術(shù),分析了16個(gè)污水生物處理系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)AOA所屬泉古菌門占全體微生物的比例為0.01-1.09%;進(jìn)水類型與水質(zhì)是影響AOA群落結(jié)構(gòu)的主要因素;此外,較低的溶解氧和較高的鹽度有利于AOA生長(zhǎng)。分別從土壤和污水處理系統(tǒng)中,富集得到同1種尚未報(bào)道的AOA新菌株,命名為SAT1,確定其在系統(tǒng)發(fā)育學(xué)上屬于古菌group I.1a。菌株SAT1細(xì)胞呈現(xiàn)不規(guī)則球狀,直徑約為0.5-0.9μm,最大比生長(zhǎng)速率為0.021 h-1,最大比氨氧化速率為0.13 fmol N cell-1 h-1?；谌蚪M分析,首次在group I.1a的AOA菌株中發(fā)現(xiàn)完整的糖異生/糖酵解途徑;發(fā)現(xiàn)菌株SAT1可水解尿素用于生長(zhǎng),且對(duì)諸如高鹽度、高溫和氧化性損傷等環(huán)境壓力可能具有潛在的抵抗力。構(gòu)建了兩套土地處理系統(tǒng)。在約560 d的運(yùn)行期內(nèi),系統(tǒng)對(duì)高、低等兩種污染負(fù)荷污水的處理效果良好?；诙縋CR和高通量測(cè)序數(shù)據(jù),確定系統(tǒng)中所有古菌均可能為AOA,且AOA數(shù)量上占據(jù)氨氧化微生物優(yōu)勢(shì),并長(zhǎng)期保持穩(wěn)定?；谝苿?dòng)窗口分析發(fā)現(xiàn),AOA群落的動(dòng)態(tài)變化率屬輕度水平變化,表明AOA群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,保證了系統(tǒng)基本功能的發(fā)揮;AOB群落的動(dòng)態(tài)變化率屬高度水平變化,表明AOB群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,容易受系統(tǒng)運(yùn)行條件的影響?；谖⑸锉劝钡?fù)荷率及自養(yǎng)氨氧化數(shù)學(xué)模型,結(jié)合土壤微宇宙試驗(yàn)和DNA-SIP試驗(yàn),進(jìn)一步確定了系統(tǒng)中的AOA具有自養(yǎng)氨氧化功能,也可能存在異養(yǎng)代謝途徑。 【關(guān)鍵詞】：氨氧化古菌 氨氧化細(xì)菌 污水處理系統(tǒng) 富集 高通量測(cè)序
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X703;X172
【目錄】：

• 摘要3-4
• abstract4-12
• 第1章 緒論12-41
• 1.1 AOA的發(fā)現(xiàn)及生長(zhǎng)條件13-22
• 1.1.1 AOA的發(fā)現(xiàn)及分類13-16
• 1.1.2 AOA的生長(zhǎng)條件16-22
• 1.2 AOA的富集分離及特性22-31
• 1.2.1 AOA的富集分離22-23
• 1.2.2 AOA的生理學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性23-31
• 1.2.3 AOA的應(yīng)用研究31
• 1.3 AOA富集的研究方法31-34
• 1.3.1 培養(yǎng)基的選擇31-33
• 1.3.2 富集條件的選擇33-34
• 1.4 污水處理系統(tǒng)中AOA的研究進(jìn)展34-39
• 1.4.1 研究成果發(fā)表情況34-35
• 1.4.2 具體研究成果介紹35-37
• 1.4.3 未來(lái)相關(guān)研究的突破口37-38
• 1.4.4 小結(jié)38-39
• 1.5 研究目的和內(nèi)容39-41
• 1.5.1 研究問(wèn)題的識(shí)別39
• 1.5.2 研究目的39
• 1.5.3 研究?jī)?nèi)容39-40
• 1.5.4 技術(shù)路線40-41
• 第2章 氨氧化古菌的研究方法41-61
• 2.1 試驗(yàn)儀器及試劑41-42
• 2.2 樣品采集42-44
• 2.2.1 存在條件部分43
• 2.2.2 富集部分43-44
• 2.2.3 污水處理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分44
• 2.3 理化性質(zhì)測(cè)定44-47
• 2.3.1 預(yù)處理方法44
• 2.3.2 測(cè)定方法44-47
• 2.4 分子生物學(xué)方法47-55
• 2.4.1 樣品DNA的提取方法47-48
• 2.4.2 普通PCR及克隆文庫(kù)48-51
• 2.4.3 質(zhì)粒提取及定量PCR51-53
• 2.4.4 高通量測(cè)序53-55
• 2.4.5 全基因組測(cè)序55
• 2.5 數(shù)據(jù)分析方法55-59
• 2.5.1 高通量測(cè)序數(shù)據(jù)分析方法55-58
• 2.5.2 全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)分析方法58-59
• 2.6 AOA富集效果及營(yíng)養(yǎng)型判定方法59-61
• 2.6.1 富集效果的判定59-60
• 2.6.2 營(yíng)養(yǎng)型的判定60-61
• 第3章 土壤及污水處理系統(tǒng)中的氨氧化古菌61-91
• 3.1 土壤與活性污泥樣品采集61-63
• 3.1.1 土壤樣品61-62
• 3.1.2 活性污泥樣品62-63
• 3.2 采樣點(diǎn)理化性質(zhì)及環(huán)境參數(shù)63-64
• 3.2.1 土壤理化性質(zhì)63
• 3.2.2 污水處理系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)63-64
• 3.3 土壤中AOA的豐度及群落結(jié)構(gòu)64-75
• 3.3.1 氨氧化微生物的豐度特征64-67
• 3.3.2AOA群落結(jié)構(gòu)特性67-75
• 3.4 污水處理系統(tǒng)中AOA的群落結(jié)構(gòu)75-87
• 3.4.1 污水處理系統(tǒng)中AOA的存在性75-76
• 3.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)特性76-81
• 3.4.3 AOA群落結(jié)構(gòu)特性81-87
• 3.5 AOA存在條件識(shí)別的意義87-88
• 3.6 AOA富集接種源的確定88-90
• 3.6.1 土壤樣品88-89
• 3.6.2 污泥樣品89-90
• 3.7 本章小結(jié)90-91
• 第4章土壤及污水處理系統(tǒng)中氨氧化古菌的富集策略91-123
• 4.1 富集策略及方法91-98
• 4.1.1 基礎(chǔ)培養(yǎng)91-94
• 4.1.2 添加抗生素的富集培養(yǎng)94
• 4.1.3 過(guò)膜接種的富集培養(yǎng)94-95
• 4.1.4 綜合優(yōu)化的富集培養(yǎng)95-96
• 4.1.5 檢測(cè)指標(biāo)96-98
• 4.1.6 富集培養(yǎng)試驗(yàn)組匯總98
• 4.2 基礎(chǔ)培養(yǎng)條件的AOA富集效果98-104
• 4.2.1 土壤基礎(chǔ)培養(yǎng)98-101
• 4.2.2 土壤提取細(xì)胞基礎(chǔ)培養(yǎng)101-103
• 4.2.3 污泥基礎(chǔ)培養(yǎng)103-104
• 4.3 添加抗生素對(duì)AOA富集的影響104-113
• 4.3.1 添加鏈霉素對(duì)土壤基礎(chǔ)培養(yǎng)的影響104-107
• 4.3.2 土壤添加氨芐青霉素培養(yǎng)107-110
• 4.3.3 土壤添加鏈霉素培養(yǎng)110-112
• 4.3.4 污泥添加鏈霉素培養(yǎng)112-113
• 4.4 過(guò)膜接種對(duì)AOA富集的影響113-115
• 4.4.1 基質(zhì)變化規(guī)律113
• 4.4.2 氨氧化微生物富集效果113-115
• 4.5 綜合優(yōu)化條件的AOA富集效果115-122
• 4.5.1 土壤綜合優(yōu)化培養(yǎng)115-120
• 4.5.2 污泥綜合優(yōu)化培養(yǎng)120-122
• 4.6 本章小結(jié)122-123
• 第5章 氨氧化古菌的生理代謝行為分析123-147
• 5.1 試驗(yàn)材料與方法123-124
• 5.1.1 AOA富集物富集效果判定123
• 5.1.2 AOA富集物種屬鑒定123-124
• 5.1.3 AOA菌株的性質(zhì)測(cè)定及功能預(yù)測(cè)124
• 5.2 AOA富集效果的判定124-126
• 5.2.1 土壤富集物中的AOA豐度124
• 5.2.2 污泥富集物中的AOA豐度124-126
• 5.3 基于特征基因序列信息的種屬鑒定126-131
• 5.3.1 土壤AOA富集物的種屬鑒定126-129
• 5.3.2 污泥AOA富集物的種屬鑒定129-130
• 5.3.3 AOA菌株種屬鑒定分析130-131
• 5.4 AOA菌株SAT1的性質(zhì)及潛在功能131-146
• 5.4.1 菌株SAT1的性質(zhì)131-132
• 5.4.2 菌株SAT1的潛在功能132-146
• 5.5 本章小結(jié)146-147
• 第6章 污水土地處理系統(tǒng)中微生物豐度及群落結(jié)構(gòu)147-181
• 6.1 試驗(yàn)材料與方法147-150
• 6.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)147-148
• 6.1.2 運(yùn)行條件148-149
• 6.1.3 參數(shù)測(cè)定149-150
• 6.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果150-152
• 6.2.1 出水中氮類指標(biāo)變化規(guī)律150-151
• 6.2.2 出水中TOC變化規(guī)律151-152
• 6.3 系統(tǒng)中微生物豐度特征152-160
• 6.3.1 古菌和細(xì)菌 16S rRNA基因豐度153-154
• 6.3.2 古菌和細(xì)菌amoA基因豐度154-158
• 6.3.3 基因豐度比值情況158-160
• 6.4 系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)特性160-179
• 6.4.1 基因序列與OTUs分組160-162
• 6.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)162-167
• 6.4.3 氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)167-179
• 6.5 本章小結(jié)179-181
• 第7章 污水土地處理系統(tǒng)中氨氧化古菌的功能181-196
• 7.1 試驗(yàn)材料與方法181-185
• 7.1.1 統(tǒng)計(jì)及數(shù)學(xué)模型分析方法181-182
• 7.1.2 SAT系統(tǒng)土壤微宇宙試驗(yàn)182-183
• 7.1.3 SAT系統(tǒng)DNA-SIP試驗(yàn)183-185
• 7.2 AOA氨氧化活性的統(tǒng)計(jì)及數(shù)學(xué)模型分析185-190
• 7.2.1 氨氧化微生物最大可承受比氨氮負(fù)荷率185-186
• 7.2.2 氨氧化微生物豐度與出水水質(zhì)的關(guān)系186-188
• 7.2.3 SAT系統(tǒng)中AOA活性細(xì)胞數(shù)188-190
• 7.3 土壤微宇宙中AOA的功能190-192
• 7.3.1 亞硝酸鹽和硝酸鹽的積累190-191
• 7.3.2 氨氧化微生物豐度變化規(guī)律191-192
• 7.3.3 相關(guān)性分析及討論192
• 7.4 DNA-SIP試驗(yàn)中AOA的功能192-195
• 7.4.1 氮類指標(biāo)濃度192-193
• 7.4.2 AOA自養(yǎng)氨氧化活性193-195
• 7.5 本章小結(jié)195-196
• 第8章 結(jié)論與建議196-199
• 8.1 結(jié)論196-197
• 8.2 建議197-199
• 參考文獻(xiàn)199-213
• 致謝213-215
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果215

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