城市污水处理系统真核微生物群落特性与地域性差异

城市污水处理系统真核微生物群落特性与地域性差异城市污水处理系统真核微生物群落特性与地域性差异城市污水是人类活动的必然产物,其产生量随着城市与社会经济的发展不断增加,城市污水处理厂(wastewatertreatmentplant,WWTP)作为城市的“肠道”,是控制水污染,保证城市与人类可持续发展的重要设施.我国城市污水处理厂普遍采用活性污泥法处理污水,其中微生物是污染物去除的主体,因此微生物群落是系统稳定运行的基础.在群落中,除原核生物外,真菌、原生动物、藻类等真核微生物作为不可或缺的一部分,在保障系统稳定运行过程中发挥着重要的作用.一方面,原生动物可以摄食处理水中游离细菌,指示活性污泥性质;通过优势种群变化、形态变化、繁殖方式变化来指示反应操作环境;通过种群密度和种类的变化预测出水水质;通过对细菌、有机颗粒和藻类等的强化和捕食作用强化净化效果;通过监测纤毛类的多样性可以预估污水处理厂的运行状况.另一方面,隐孢子虫和贾第鞭毛虫等病原性原生动物能导致人和动物腹泻,且具有个体小、潜伏期长、致病性强且易暴发流行的特点,对下游生物造成极大的威胁.活性污泥中真菌的出现一般也与水质有关.一方面,丝状真菌是形成活性污泥絮凝体的骨架,使污泥具有良好的沉淀性能,保持高的净化效率、低的出水浓度和出水悬浮物浓度.另一方面,丝状真菌,如Trichosporon属,若大量异常地增殖则会引发污泥膨胀现象,常造成处理水质下降和污泥的大量流失,影响处理系统的稳定运行.因此,深入理解污水处理系统中真核微生物的特性,对提高出水水质、保障污水处理系统的稳定运行具有重要作用.传统的微生物培养方法和形态学研究手段因自身存在的不足和问题,限制了人们对真核微生物的认识,Meng等利用密度梯度离心结合定量蛋白银染色的方法在黄海48个站位的沉积物样品中鉴定出198种底栖纤毛虫;代仁海利用同样的方法在春季长江口及东海的39个站位的沉积物样品中检获278种底栖纤毛虫,但其中约37%的种类由于数量过少等原因导致分类信息不足,难以准确鉴定.近年来高通量测序技术的研究手段极大地提高了微生物群落研究的深度与水平,现已被广泛用来解析农田、森林、土壤、海洋等环境中的微生物.在污水处理系统中,相关研究大多集中于利用高通量测序技术结合其他生物信息学方法解析系统内细菌群落的结构和功能,采用这一技术研究系统内真核微生物群落的报道还很少见.此外,我国不同区域的地理环境和饮食结构均存在差异,且有研究显示自然系统内真核微生物群落和污水处理系统内的细菌群落均具有地域性差异,然而不同区域活性污泥系统内的真核微生物群落地域性差异研究尚未开展.因此,本研究拟利用高通量测序技术,结合多种生态学及数理统计相关分析方法研究我国城市污水处理系统中真核微生物的群落特性与地域性差异,深化对污水处理系统中真核微生物的认识,以期为指导污水处理系统的优化设计、提高出水水质、保障系统稳定高效运行提供科学依据.1材料与方法1.1样品采集与DNA提取污泥样品采集于2014年7~8月,选取了北京,深圳和无锡的14个污水处理厂,为保证后续数据统计学分析结果的可靠性,样品采集遵循每个城市至少采集4个WWTPs,每个WWTP至少采集3个曝气池活性污泥样品(分别在曝气池前、中、后端)以及一个曝气池上清液样(曝气池中端),若同一WWTP具有不同的处理工艺,则在不同处理工艺的曝气池中均进行了活性污泥样品和曝气池上清液样品的采集.同时,原位测定曝气池混合液的温度、pH、溶解氧浓度和电导率等参数,收集WWTPs的地理信息、城市气候信息,WWTPs采用的处理工艺、设计参数、进出水水质情况和操作参数等基本信息.采用统一的方法,每个样品采集30mL,并迅速置于冰上24h内带回实验室,充分摇匀后于15000g离心10min后弃去上清液,取沉淀相保存于-80℃用于微生物DNA提取.采用PowerSoil®DNA提取试剂盒提取污泥样品的DNA,然后用ND-2000分光光度计和NanoDrop测定其浓度和纯度,保证每个样品满足测序的DNA质量要求.1.218SrDNA高通量测序利用引物TAReuk454FWD1(5′-CCAGCASCYGCGGTAATTCC-3′)和TAReukREV3(5′-ACTTTCGTTCTTGATYRA-3′)通过IlluminaMiSeq测序平台完成活性污泥系统内真核微生物18SrDNA测序,然后在Galaxy平台(http://zhoulab5.rccc.ou.edu:8080/root)上完成原始数据的整合,物种信息分类,生成操作分类单元(operationaltaxonomicunit,OTU)表格,.1.3数据分析本研究使用了非度量多维尺度法(nonmetricmultidimensionalscaling,NMDS)和相异性分