CASS反應(yīng)器中反硝化除磷污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)

王崢嶸 李建民 薛念濤 董志英

摘要 為深入了解CASS系統(tǒng)內(nèi)的反硝化除磷污泥微生物群落結(jié)構(gòu)，對反應(yīng)器內(nèi)初始接種污泥和馴化成功的污泥進行高通量測序分析，測序結(jié)果顯示CASS系統(tǒng)反硝化除磷污泥中富集了一定比例的、具有脫氮除磷能力的菌群，優(yōu)勢菌群主要有變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和擬桿菌門（Bacteroidetes）。目水平上鞘脂桿菌目（Sphingobacteriales）和紅環(huán)菌目（Rhodocyclales）豐度增長較大，科水平上紅環(huán)菌科（Rhodocyclaceae）的豐度增長最大，可能包含具有反硝化功能的菌群。此分析結(jié)果也顯示出CASS系統(tǒng)具有一定的脫氮除磷功能。

關(guān)鍵詞 反硝化除磷污泥;CASS反應(yīng)器;高通量測序;微生物菌群

中圖分類號 X703.1文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）14-0071-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.023

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Microbial Community Structure of Denitrifying Phosphorus Removal Sludge in CASS Reactor

Abstract To further understand the microbial community structure of denitrifying phosphorus removal sludge in CASS system，high throughput sequencing analysis was carried out for initial inoculation sludge and domesticated sludge.The results of high throughput sequencing showed that a certain proportion of bacteria with nitrogen and phosphorus removal ability were enriched in the sludge of denitrifying phosphorus removal in CASS system，and the dominant bacteria were mainly Proteobacteria，Chloroflexi and Bacteroidetes.Sphingobacteriales and Rhodocyclales increased the more abundances at the order level，Rhodocyclaceae increased the most abundances at the family level，possibly including denitrifying bacteria.The results also showed that the CASS system had a certain function of nitrogen and phosphorus removal.

Key words Denitrifying phosphorus removal sludge;CASS reactor;High throughput sequencing;Microbiology community

作者簡介 王崢嶸（1994—），女，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：水污染控制。*通信作者，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事水污染控制研究。

收稿日期 2019-03-04

污水處理系統(tǒng)中，微生物群落多樣性與系統(tǒng)穩(wěn)定性成正比，豐富的微生物種群有利于抵抗沖擊負荷和維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行。少數(shù)優(yōu)勢菌群主導(dǎo)的微生物群落可能穩(wěn)定性不足，但富含重要的功能菌群。呂小梅[1]對反硝化除磷污泥與傳統(tǒng)好氧除磷污泥的菌群結(jié)構(gòu)與主導(dǎo)除磷微生物的差異性進行比較，認為好氧除磷污泥多樣性高于反硝化除磷污泥，2種污泥的核心功能菌群不同，在馴化過程中，好氧除磷污泥菌群結(jié)構(gòu)僅有微小波動，而反硝化除磷污泥的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，也有其他研究得到了一致的結(jié)論[2]。周康群等[3]采用SBR富集反硝化聚磷菌，發(fā)現(xiàn)DNPAOs濃度增加為原來的57倍，富集后菌種種類減少且更加集中，主要為假單胞菌屬、棒狀桿菌屬、腸桿菌科和葡萄球菌屬。

生物分類基本單元為界、門、綱、目、科、屬、種，種為基本單元，微生物分類學(xué)可以用于初步判斷不同菌群的生物功能特征。對反硝化除磷污泥在門水平上的生物學(xué)研究較多，發(fā)現(xiàn)變形菌門（Proteobacteria）為反硝化除磷污泥主導(dǎo)菌群，對氮磷去除起著重要作用，馴化過程中下屬綱水平上α-、β-、δ-Proteobacteria有明顯變化[4]。目、屬水平更深入體現(xiàn)微生物群落結(jié)構(gòu)差異，Acinetobacter是最早被鑒定為具有除磷作用的微生物[5]，在強化生物除磷系統(tǒng)除磷效果較好的穩(wěn)定期內(nèi)大量存在[6]，但吳昌永等[7]發(fā)現(xiàn)在A2O工藝反硝化除磷強化的過程中，Acinetobacter逐漸消失，認為Acinetobacter在反硝化除磷工藝中不占優(yōu)勢。A/A反應(yīng)器運行穩(wěn)定期Xanthomonadales、Rhodocyclales、Burkholderiales為主導(dǎo)菌，Methylibium、Thauera為主導(dǎo)菌屬，系統(tǒng)中優(yōu)勢菌群的變化也引起了系統(tǒng)功能的改變[8]。

目前很多報道的反硝化除磷菌屬都基于實驗室平板純培養(yǎng)分離的方式得到的結(jié)果，不能反映實際工藝中的微生物群落組成。該研究采用CASS工藝富集培養(yǎng)反硝化聚磷菌，反應(yīng)器顯示出了良好的反硝化脫氮效果，出水COD、TP、TN、氨氮平均去除率超過90%，反硝化聚磷菌群成為系統(tǒng)優(yōu)勢菌群[9]。為深入了解反硝化除磷污泥微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的變化，探究DNPAOs主導(dǎo)菌群特點及功能，采用Illumina MiSeq高通量測序技術(shù)，以CASS富集培養(yǎng)反硝化聚磷菌前后活性污泥為對象，對反硝化聚磷菌群落組成進行微生物多樣性和分類學(xué)分析，以期進一步探索反硝化除磷污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)，為反硝化除磷技術(shù)的實際推廣應(yīng)用提供理論支持。

為考察在脫氮除磷方面發(fā)揮主要作用的菌群組成，對2個樣品中豐度最大的菌群變形菌門在綱分類水平的分布特征進行進一步的分析，結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，β-變形菌綱（βProteobacteria）的豐度在2個樣品中占比最大，分別為13.99%和19.83%。β-Proteobacteria菌群在脫氮除磷方面有著重要貢獻，吳昌永等[7]富集到了一種屬于βProteobacteria的新功能菌群Uncultured Chlorobibacterium;Ahn等[14]研究了DNPAOs的生物組成，SBR反應(yīng)器中常見2種細菌Rhodoyclus和Dechlorimonas，屬于βProteobacteria。有2種菌種都屬于βProteobacteria，該菌群比例的提高證明了CASS系統(tǒng)對脫氮除磷菌群的富集能力。對比2個樣品，δ-變形菌綱（δProteobacteria）和γ-變形菌綱（γProteobacteria）的豐度均增加數(shù)倍，γProteobacteria可能包含具有反硝化脫氮能力以及除磷能力的菌群[15-16]，還未見有關(guān)于δ-變形菌綱（δProteobacteria）具有反硝化除磷性能的報道。

如圖5所示，在目分類水平上，1號樣品的主要菌群為紅色桿菌目（Rubrobacterales）、酸微菌目（Acidimicrobiales） 、芽單胞菌目（Gemmatimonadales）、紅螺菌目（Rhodospirillales）、伯克霍爾德氏菌目（Burkholderiales）和JG30-KF-CM45，2號樣品的主要菌群有鞘脂桿菌目（Sphingobacteriales）、紅環(huán)菌目（Rhodocyclales）、酸微菌目（Acidimicrobiales）、克霍爾德氏菌目（Burkholderiales）、黃色單胞菌目（Xanthomonadales）和粘球菌目（Myxococcales）。對比2個樣品菌群的變化情況發(fā)現(xiàn)，鞘脂桿菌目（Sphingobacteriales）的豐度由2.62%上升至10.97%，紅環(huán)菌目（Rhodocyclales）由不到1.00%上升至9.65%，可能包含具有反硝化功能的菌群[17-18]。此外，Bond等[19]研究表明，紅環(huán)菌目（Rhodocyclales）相關(guān)微生物是生物除磷系統(tǒng)的優(yōu)勢聚磷菌。因此，從目的水平上微生物種群分析來看，CASS系統(tǒng)富集了具有脫氮除磷能力的物種，可能是反硝化聚磷菌。

在科分類水平上，1號污泥樣品和2號污泥樣品中微生物群落組成如圖6所示。其中，1號樣品主要包含Norank_O_JG30-KF-CM45、Elev-16S-1332、芽單胞菌科（Gemmatimonadaceae）、叢毛單胞菌科（Comamonadaceae）和酸微菌科（Acidimicrobiales），2號樣品主要包含紅環(huán)菌科（Rhodocyclaceae）、腐螺旋菌科（Saprospiraceae）和叢毛單胞菌科（Comamonadaceae）。Fahrbach等[20]從城市污水處理廠的活性污泥中分離得到一株革蘭氏陰性反硝化細菌Denitratisoma，是紅環(huán)菌科的一個新屬，具有好氧反硝化能力。對比樣品1和樣品2的菌群豐度變化，紅環(huán)菌科（Rhodocyclaceae）的豐度增長較大。紅環(huán)菌科（Rhodocyclaceae）是除磷系統(tǒng)的主要構(gòu)成菌群，并且可能具有反硝化功能，紅環(huán)菌可能含有反硝化聚磷菌。

3 結(jié)論

與初始接種污泥相比，CASS系統(tǒng)中反硝化除磷污泥中富集了一定比例的具有脫氮除磷能力的菌群，優(yōu)勢菌群主要有變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和擬桿菌門（Bacteroidetes），其中β-變形菌綱（β-Proteobacteria）的豐度占比較大。放線菌門相較初始接種污泥降幅明顯，證明了CASS有助于減少污泥膨脹的優(yōu)勢。

鞘脂桿菌目（Sphingobacteriales）和紅環(huán)菌目（Rhodocyclales）豐度增長較大，可能包含具有反硝化功能的菌群。其中紅環(huán)菌科（Rhodocyclaceae）是除磷系統(tǒng)的主要構(gòu)成菌群，并且可能具有反硝化功能，可推斷紅環(huán)菌含有反硝化聚磷菌。

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