姚俊芹教授 | 干旱寒冷地区氧化沟工艺活性污泥的菌群结构

来源：马烨姝,姚俊芹,汪溪远,罗袁爽,张萌,陈银广.干旱寒冷地区氧化沟工艺活性污泥的菌群结构研究[J].环境工程.

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研究背景

活性污泥法是目前应用最广泛的污水生物处理技术，主要依靠活性污泥中微生物将污水中的污染物降解，达到净化污水的目的。活性污泥的菌群结构是实现污染物的去除和污水厂稳定运行的基础。

近年来，高通量测序技术得到快速发展，该技术已被广泛应用于城市污水厂活性污泥中菌群结构的研究，并在非干旱寒冷地区活性污泥菌群结构中取得了大量的研究成果。但对干旱寒冷地区活性污泥菌群结构的研究报道比较少。

摘    要

为了探讨新疆干旱寒冷地区城市污水厂活性污泥的菌群结构特征，采用高通量测序技术对北疆5座城市污水厂活性污泥进行菌群分析。结果表明：5座污水厂基本可以达到各自的设计出水标准，其中3座污水厂运行中出现了污泥丝状膨胀。变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和绿弯菌门（Chloroflexi）是活性污泥的优势细菌门，相对丰度分别为30.65%~43.12%、21.15%~33.64%和5.02%~14.36%。放线菌门（Actinobacteria）在沉降性能良好的污泥中相对丰度为2.97%~6.17%，而在丝状膨胀污泥中相对丰度达到11.69%~15.64%。季节性膨胀污泥中微丝菌属（Microthrix）和黄杆菌属（Flavobacterium）相对丰度呈现出季节性变化，常年膨胀的污泥中腐螺旋菌属（Saprospiraceae_norank）为优势细菌属，相对丰度达到17.48%~18.30%。子囊菌门（Ascomycota）是丝状污泥膨胀中的优势真菌门，相对丰度达到56.60%~72.68%。研究结果可对干旱寒冷地区污水厂运行调控提供参考。

污水处理厂效果

活性污泥样品分别取自阿勒泰市某污水厂（ALT）、克拉玛依市某污水厂（KLMY）、石河子市某污水厂（SHZ）、昌吉市某污水厂（CJ）和乌鲁木齐市某污水厂（WLMQ）。5座污水厂的进、出水水质情况如表1。可知，5座污水厂的进水水质中污染物浓度高于山东、广东等城市污水厂的平均进水水质。

表1 污水厂水质处理效果

细菌菌群分析

细菌多样性

细菌是活性污泥净化污水的主要承担者。32个污泥样品的细菌群落多样性如表2所示。

表2 细菌群落多样性

OTU分布Venn图

Venn图能用来统计污水厂中共有的和独有的OTU数目，较为直观的反应出活性污泥样品的OTU数目组成相似性及重叠情况。32个活性污泥样品在OTU水平上的韦恩图如图1所示。

图1 活性污泥样本Venn图分析

细菌门水平群落结构

活性污泥细菌测序共获得43个细菌门。对相对丰度从大到小排序前10的细菌门进行分析, 如图2所示，相对丰度之和占细菌群落总丰度的96.21%~98.80%。变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度为30.65%~43.12%，是活性污泥中相对丰度最高的细菌门。其次为拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria），厚壁菌门（Firmicutes）和浮霉菌门（Planctomycetes）。与广州、浙江等非干旱寒冷地区的污水厂活性污泥的主要优势细菌门种类基本一致。研究表明放线菌门（Actinobacteria）相对丰度较高时会导致污泥膨胀。

图2 细菌群落门水平上相对丰度

细菌属水平群落结构

活性污泥细菌测序共检测出838个细菌属。对相对丰度从大到小排序前50的细菌属进行分析，如图3所示，相对丰度之和占细菌群落总丰度的58.94%~68.44%。腐螺旋菌属（Saprospiraceae_norank）、丛毛单胞菌属（Comamonadaceae_unclassified）、微丝菌属（Microthrix）、黄杆菌属（Flavobacterium）和厌氧绳菌属（Anaerolineaceae_norank）是污泥样品中的优势细菌属。研究发现，腐螺旋菌属（Saprospiraceae_norank）是活性污泥中一种较为常见的细菌属，在水温较低时大量增殖，能够导致污泥膨胀。微丝菌属（Microthrix）和黄杆菌属（Flavobacterium）均为易引起污泥膨胀最常见的丝状菌。季节性丝状污泥膨胀WLMQ活性污泥中，微丝菌属（Microthrix）和黄杆菌属（Flavobacterium）相对丰度出现季节性变化。厌氧绳菌属（Anaerolineaceae_norank）有利于提高污泥沉降性能。据报道Dechloromonas动胶菌属（Zoogloea）、Turneriella、Prosthecobacter、Nannocystis等为广州、浙江等城市的污水处理厂活性污泥中的优势细菌属，与干旱寒冷地区污水厂活性污泥的优势细菌属种类不同。

图3 细菌群落属水平相对丰度

真菌菌群分析

真菌群落多样性

真菌在污水处理系统中能够降解多种化合物和有毒物质，在污水生物处理中起着至关重要的作用。对出现丝状污泥膨胀的3座污水厂12个污泥样品进行了真菌测序，测序结果如表3所示。

表3 真菌多样性

真菌门水平群落结构

活性污泥样品中共检测出38个真菌门，如图4所示，其相对丰度之和占活性污泥真菌群落总丰度的99.76%~99.87%。子囊菌门（Ascomycota）的是活性污泥中相对丰度最高的真菌门，相对丰度达到56.60%~72.68%。其次为担子菌门（Basidiomycota）。目前对于污水厂膨胀污泥中真菌群落研究比较少，已报道的多为沉降性能正常活性污泥中真菌群落研究。研究发现，子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）也是非干旱寒冷地区沉降性能良好污水厂的污泥中优势真菌门，且子囊菌门（Ascomycota）是活性污泥中绝对优势真菌门。

图4 真菌群落门水平上相对丰度

真菌属水平群落结构

污泥样品共得到122个真菌属，对相对丰度从大到小排序前10的真菌属进行分析，如图5所示，相对丰度之和占活性污泥真菌群落总丰度的75.03%~90.46%。子囊菌属（Ascomycota_norank）、丝孢菌属（Trichosporon）、酵母菌属（Saccharomycetales_unclassified）、耐碱酵母菌（Galactomyces）、德巴利氏酵母菌属（Debaryomyces）和发菌属（Trichocomaceae_unclassified）是活性污泥中的优势真菌属。有研究表明，丝孢菌属（Trichosporon）过多不利于污泥沉降。据报道青霉菌（Penicillium）、隐球菌属（Cryptococcus）、念珠菌属（Candida）、红酵母属（Rhodotorula）等为上海、山西、青海等城市的沉降性能正常污水处理厂活性污泥中的优势真菌属，与干旱寒冷地区膨胀污泥优势真菌属种类不同。

图5 真菌群落属水平上相对丰度

 重要结论

1）5座污水处理厂基本可以达到各自的设计出水标准，其中3座污水处理厂运行中出现了污泥丝状膨胀。

2）变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和绿弯菌门（Chloroflexi）是活性污泥的优势细菌门，放线菌门（Actinobacteria）在沉降性能良好的污泥中相对丰度为2.97%~6.17%，在丝状污泥膨胀中相对丰度达到11.69%~15.64%。季节性膨胀污泥中微丝菌（Microthrix）和黄杆菌（Flavobacterium）相对丰度呈现出季节性变化，常年膨胀的污泥中腐螺旋菌属（Saprospiraceae_norank）为优势细菌属，相对丰度达到17.48%~18.30%。

3）丝状膨胀污泥中子囊菌门（Ascomycota）是优势真菌门，相对丰度为56.60%~72.68%。子囊菌属（Ascomycota_norank）和丝孢菌属（Trichosporon）是优势真菌属，相对丰度为8.85%~35.74%和13.38%~20.15%。

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