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污水厂大数据|波兰丹麦两国污水厂微生物有何不同吗?

北极星水处理网  来源:IWA国际水协会    2017/10/31 15:09:39  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:污水厂 微生物群落 活性污泥

北极星水处理网讯:自2006年起,丹麦超过50座污水厂(都包含脱氮除磷工序)加入一个名为MiDas-DK的研究项目中来。MiDas-DK是丹麦脱氮除磷活性污泥污水厂微生物数据库(TheMicrobialDatabaseforDanishActivatedSludgeWastewaterTreatmentPlantswithNutrientRemoval)的简称。该项目的是要为这些污水厂建立活性污泥微生物数据库。应用的分析技术就是基于16SRNA扩增子测序和深度宏基因组学的量化FISH荧光原位杂交技术。

过十年的积累,这个数据库已经成为一个非常强大的研究活性污泥生态系统的辅助工具,它帮助丹麦的研究人员优化污水厂的运行。他们的愿景是希望世界各地的同行受此启发,建立例如在巴西、中国和地球其他角落的类似的数据库,当这些数据汇总在一起,当它足够多的时候,就能成为例如污水界的Google,使科学家获得对污水工程设计更深更全面的理解。

污水厂大数据

来自波兰华沙理工大学和华沙大学的两位科学家Muszynski和Miłobędzka就对此做出了响应,效仿丹麦的做法,对波兰的两座活性污泥工艺的污水厂的微生物群落进行了为期两年的跟踪分析。

在此之前,波兰的污水厂并有通过分子微生物技术获取的可靠的微生物数据库。在这篇研究报告里,他们采用16S核糖体RNA扩增子的Illumina测序技术,找出了丰度最高(mostaboundent)的菌种,并分析他们在系统中的潜在功能,以及随时间变化的动力学情况,以此检验它们是否包含在丹麦污水厂的核心细菌群落里。

数据来源

研究中考察的两座波兰污水厂处理的都是市政污水,而且规模相当,处理能力人口当量PE分别为73,400人和76,000人。两座厂都有初沉池、以及生物脱氮除磷工序,但包含化学除磷。硝化池使用微孔曝气器。

两座厂主要区别在于反应池的结构和主要的技术参数。1号污水厂使用A2O反应器,另加前置反硝化和硝化器。2号污水厂使用UCT工艺(南非开普敦大学研发的)。在2012-2014年的研究期间,1号污水厂出现过严重的污泥膨胀问题,还有脱氮表现欠佳的情况,2号污水厂的问题大多是活性污泥的沉降和泡沫的形成。两个厂的具体工艺细节和运行表现不在这里详述,大家下载原文查看它的补充材料了解详情。

活性污泥的随机样品每年采集两次,每个样品为100ml(3月初和9月末),采样点为好氧曝气池离池面30cm深的位置,然后冷冻保存直至用于DNA提取。

DNA测序由丹麦Aalborg的DNAsenseApS公司的设备操作,目的是测量微生物群落丰度,通过使用丹麦的设备也能更好地和丹麦的情况做对比。然后使用R统计软件来进行相关的统计分析。

实验结果

核心群落的特征、丰度和从属关系

分析结果显示的优势菌种是蛋白菌门(Proteobacteria)和拟杆菌(Bacteroidetes)。下图图1展示的是它们在测试污水厂的活性污泥中的平均丰度(扩增子对的百分比),图2展示的是它们的季节性变化。

图1数量最多的丰度最高的30种细菌的功能、身份和丰度的对比

图1  数量最多的丰度最高的30种细菌的功能、身份和丰度的对比
30种丰度最高的细菌在波兰污水厂的季节变化情况

图2 30种丰度最高的细菌在波兰污水厂的季节变化情况;冬天和夏天过后丰度变高的细菌分别用深灰和浅灰标出

这30种丰度最高细菌组占了微生物群落的半数组成,每组的平均丰度范围为0.7-9%。图1也显示了对应的门(phylum)、种(genus)或者OTU数。异养反硝化优势菌红环菌种Rhodoferax的丰度在其中一次采样里高达20%(平均值为9%)。排名第二的是黄杆菌Flavobacterium(两个厂的数值分别为3.8%和5.1%)它和其他三个拟杆菌门的菌种(QEDR3BF09(3.1%),PHOS–HE28(2.6%),CYCU–0281(2%))在活性污泥微生物群落里还没有给出特定的功能。大部分的菌种(18种已经被发现的和5种未被鉴定出的OTUs)属于丹麦团队之前划分出核心群落名单的菌种。

季节变化和污水厂对细菌丰度的影响

我们可以从图2中看出13种菌丰度的显著变化,从而反映出温度变化。其中,QEDR3BF09(至今没被研究过,属于腐螺旋菌Saprospiraceae)、CandidatusAccumulibacter(变形杆菌、异养反硝化、聚磷菌PAO)、cladeOM27和SBR1029(丝状绿弯菌)的丰度在夏天之后增加了。

属于变形杆菌的红环菌种Rhodoferax、弓形杆菌Arcobacter、脱氯单胞菌Dechloromonas,红细菌目Rhodobacter简单螺旋形菌Simplicispira,贝塔变形菌CandidatusNitrotoga和拟杆菌门的Flavobacterium、PHOS–HE28和OTU_371则呈现相反的趋势,它们在冬天过后的丰度才增加。两座污水厂同一菌种的细菌丰度作为两组独立数据来对待,两位科学家使用Student’st-检验(针对独立样本)来对比两组数据,结果显示污水厂本身的影响性只有Ferruginibacter这菌种上较为显著。

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