摘要
活性污泥中的微生物是去除污水中碳、氮、磷以及各种微污染物的功能主体，然而99％以上的活性污泥微生物类群没有得到培养和准确详尽的研究结果。受制于对活性污泥微生物及其与环境因子、运行参数关系认知的缺乏，污水厂常常面临污泥膨胀和生物泡沫等沉降问题。对于活性污泥中微生物机制的认识是保证污水处理厂能够稳定运行并发展活性污泥新工艺中至关重要的基础。本研究通过结合微生物组学中多种技术以及纯培养方法，详细阐述了不同区域城市污水厂活性污泥群落结构和组装机制的生物地理规律，揭示目前技术水平下活性污泥可培养微生物的分布和占比。通过挖掘生理生化特征、基因组代谢潜力、群落动态变化等指标解析了全球活性污泥核心微生物Casimicrobiumhuifangae以及生物泡沫中富集的未知微生物Kaistellabeijingensis在活性污泥和生物泡沫中的生理和生态功能。研究其与环境因子、污水处理效能之间的关联。以期促进人们对活性污泥微生物的理解和认知。为活性污泥的合理调控以及开发新工艺提供必要的理论支持。 通过对位于热带曼谷、亚热带武汉和温带北京的6座城市污水处理厂的微生物群落的高通量测序，探讨了微生物群落组成结构的异同以及在这些城市污水处理厂的活性污泥微生物组装过程的决定因素。结果表明温度是活性污泥微生物alpha多样性的决定因素，解释了45.3％的Chao1多样性指数。地位位置和季节是活性污泥微生物群落结构的决定因素，分别解释了Bray-Curtis距离22.8％和19.2％以及非加权Unifrac距离18.9％和14.9％。热带地区和亚热带地区的城市污水厂中的微生物群落装配主要由随机过程主导，分别占86.1％和59.1％;而温带地区的污水处理厂的微生物组装配则由确定性的过程主导，占52.9％。热带城市污水处理厂与亚热带和温带城市污水处理厂相比，具有更高的微生物多样性和更独特的微生物类群。其中热带污水处理厂的1971的特有OTU中有637个未被GWMC的全球活性污泥调查研究中挖掘，占热带污水处理厂活性污泥微生物丰度的19.5-32.2％。 通过对清河再生水厂活性污泥和生物泡沫中核心微生物的发掘，共得到404个分离物（株），包括了161种潜在的种级别类群，有22.52％的分离株与已知标准菌株的16SrRNA基因的相似度＜98.6％。其中193株细菌已经在中国普通微生物保藏中心（ChinaGeneralMicrobiologicalCultureCollectionCenter，CGMCC）保藏。初步建立活性污泥和生物泡沫菌种资源库。基于可培养的方法分离的菌株有50％左右不能在基于免培养的高通量测序方法检测到。基于免培养方法检测到的活性污泥微生物中仅有1％左右的微生物种类以及10-20％的丰度可以通过分离培养得到。而分离培养的微生物可以覆盖生物泡沫微生物总丰度的40-60％。上述工作成功获得活性污泥核心菌株SJ-1，其代表了β变形菌纲中一簇全新的类群，在世界活性污泥28个核心类群中对应于OTU_16。菌株SJ-1被命名为惠芳中科微菌（Casimicrobiumhuifangae），属于Casimicrobiaceae科、Casimicrobium属。惠芳中科微菌（C.huifangae）分布广泛，代谢多样。除矿化各种碳源（包括碳水化合物、芳香族化合物和短链脂肪酸）外，还具有还原硝酸盐和积累聚磷酸盐的能力。在清河再生水厂活性污泥微生物群落中，惠芳中科微菌（C.huifangae）占总丰度的1％以上，随季节性动态变化。共现分析表明，惠芳中科微菌(C.huifangae)是清河再生水厂活性污泥微生物网络中重要的模块枢纽。 生物泡沫中微生物多样性显著低于活性污泥并且组成结构差异巨大。在北京清河再生水厂生物泡沫中富集的未知细菌PM-38属于Kaistella属的新种Kaistellabeijingensis。其疏水性的细胞可以随曝气的浮选而聚集在生物泡沫中。它可以合成多种酯酶、蛋白酶、果胶和糖原水解酶，也可能利用积累在泡沫层的磷脂，胆固醇和长链脂肪酸等。此外，K.beijingensisPM-38在生长过程中可分泌脂多糖、脂蛋白等胞外分泌物，进一步加剧和稳定生物泡沫。K.beijingensis在活性污泥中的丰度不超过0.15％，在生物泡沫中的丰度在0.5-6％之间。其丰度与温度呈显著负相关。此外，随着生物泡沫胞外多聚物中蛋白质、多糖和游离脂肪酸含量的增加，K.beijingensis的丰度也显著增加，而在活性污泥中不存在上述关系。 综上所述，目前对于活性污泥系统中的微生物及其与污水处理效能的联系和认知还非常有限。通过上述研究以期提高人们对活性污泥微生物的认知水平、增强对活性污泥微生物生态学的理解。通过活性污泥菌株资源库的构建推动活性污泥微生物组的相关研究和实践应用，为未来城市污水厂的提质增效提供理论和物质基础。
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