自2006年起，丹麥超過50座污水廠(都包含脫氮除磷工序)加入一個名為MiDas-DK的研究項(xiàng)目中來。MiDas-DK是丹麥脫氮除磷活性污泥污水廠微生物數(shù)據(jù)庫(TheMicrobialDatabaseforDanishActivatedSludgeWastewaterTreatmentPlantswithNutrientRemoval)的簡稱。該項(xiàng)目的是要為這些污水廠建立活性污泥微生物數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用的分析技術(shù)就是基于16SRNA擴(kuò)增子測序和深度宏基因組學(xué)的量化FISH熒光原位雜交技術(shù)。

過十年的積累，這個數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為一個非常強(qiáng)大的研究活性污泥生態(tài)系統(tǒng)的輔助工具，它幫助丹麥的研究人員優(yōu)化污水廠的運(yùn)行。他們的愿景是希望世界各地的同行受此啟發(fā)，建立例如在巴西、中國和地球其他角落的類似的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)這些數(shù)據(jù)匯總在一起，當(dāng)它足夠多的時候，就能成為例如污水界的Google，使科學(xué)家獲得對污水工程設(shè)計(jì)更深更全面的理解。

來自波蘭華沙理工大學(xué)和華沙大學(xué)的兩位科學(xué)家Muszynski和Mi?obe?dzka就對此做出了響應(yīng)，效仿丹麥的做法，對波蘭的兩座活性污泥工藝的污水廠的微生物群落進(jìn)行了為期兩年的跟蹤分析。

在此之前，波蘭的污水廠并有通過分子微生物技術(shù)獲取的可靠的微生物數(shù)據(jù)庫。在這篇研究報(bào)告里，他們采用16S核糖體RNA擴(kuò)增子的Illumina測序技術(shù)，找出了豐度最高（mostaboundent）的菌種，并分析他們在系統(tǒng)中的潛在功能，以及隨時間變化的動力學(xué)情況，以此檢驗(yàn)它們是否包含在丹麥污水廠的核心細(xì)菌群落里。

數(shù)據(jù)來源

研究中考察的兩座波蘭污水廠處理的都是市政污水，而且規(guī)模相當(dāng)，處理能力人口當(dāng)量PE分別為73,400人和76,000人。兩座廠都有初沉池、以及生物脫氮除磷工序，但包含化學(xué)除磷。硝化池使用微孔曝氣器。

兩座廠主要區(qū)別在于反應(yīng)池的結(jié)構(gòu)和主要的技術(shù)參數(shù)。1號污水廠使用A2O反應(yīng)器，另加前置反硝化和硝化器。2號污水廠使用UCT工藝（南非開普敦大學(xué)研發(fā)的）。在2012-2014年的研究期間，1號污水廠出現(xiàn)過嚴(yán)重的污泥膨脹問題，還有脫氮表現(xiàn)欠佳的情況，2號污水廠的問題大多是活性污泥的沉降和泡沫的形成。兩個廠的具體工藝細(xì)節(jié)和運(yùn)行表現(xiàn)不在這里詳述，大家下載原文查看它的補(bǔ)充材料了解詳情。

活性污泥的隨機(jī)樣品每年采集兩次，每個樣品為100ml（3月初和9月末），采樣點(diǎn)為好氧曝氣池離池面30cm深的位置，然后冷凍保存直至用于DNA提取。

DNA測序由丹麥Aalborg的DNAsenseApS公司的設(shè)備操作，目的是測量微生物群落豐度，通過使用丹麥的設(shè)備也能更好地和丹麥的情況做對比。然后使用R統(tǒng)計(jì)軟件來進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

核心群落的特征、豐度和從屬關(guān)系

分析結(jié)果顯示的優(yōu)勢菌種是蛋白菌門(Proteobacteria)和擬桿菌(Bacteroidetes)。下圖圖1展示的是它們在測試污水廠的活性污泥中的平均豐度（擴(kuò)增子對的百分比），圖2展示的是它們的季節(jié)性變化。

圖1  數(shù)量最多的豐度最高的30種細(xì)菌的功能、身份和豐度的對比

圖2 30種豐度最高的細(xì)菌在波蘭污水廠的季節(jié)變化情況；冬天和夏天過后豐度變高的細(xì)菌分別用深灰和淺灰標(biāo)出

這30種豐度最高細(xì)菌組占了微生物群落的半數(shù)組成，每組的平均豐度范圍為0.7-9%。圖1也顯示了對應(yīng)的門(phylum)、種(genus)或者OTU數(shù)。異養(yǎng)反硝化優(yōu)勢菌紅環(huán)菌種Rhodoferax的豐度在其中一次采樣里高達(dá)20%（平均值為9%）。排名第二的是黃桿菌Flavobacterium（兩個廠的數(shù)值分別為3.8%和5.1%）它和其他三個擬桿菌門的菌種（QEDR3BF09(3.1%),PHOS–HE28(2.6%),CYCU–0281(2%)）在活性污泥微生物群落里還沒有給出特定的功能。大部分的菌種（18種已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的和5種未被鑒定出的OTUs）屬于丹麥團(tuán)隊(duì)之前劃分出核心群落名單的菌種。

季節(jié)變化和污水廠對細(xì)菌豐度的影響

我們可以從圖2中看出13種菌豐度的顯著變化，從而反映出溫度變化。其中，QEDR3BF09（至今沒被研究過，屬于腐螺旋菌Saprospiraceae）、CandidatusAccumulibacter(變形桿菌、異養(yǎng)反硝化、聚磷菌PAO)、cladeOM27和SBR1029(絲狀綠彎菌)的豐度在夏天之后增加了。

屬于變形桿菌的紅環(huán)菌種Rhodoferax、弓形桿菌Arcobacter、脫氯單胞菌Dechloromonas,紅細(xì)菌目Rhodobacter簡單螺旋形菌Simplicispira,貝塔變形菌CandidatusNitrotoga和擬桿菌門的Flavobacterium、PHOS–HE28和OTU_371則呈現(xiàn)相反的趨勢，它們在冬天過后的豐度才增加。兩座污水廠同一菌種的細(xì)菌豐度作為兩組獨(dú)立數(shù)據(jù)來對待，兩位科學(xué)家使用Student’st-檢驗(yàn)（針對獨(dú)立樣本）來對比兩組數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示污水廠本身的影響性只有Ferruginibacter這菌種上較為顯著。

PCA分析

下圖是10個樣本的微生物群落的主要成成分（PrincipalComponentAnalysis,PCA）分析結(jié)果：

▲圖3PCA分析對波蘭兩個污水廠兩個季節(jié)的樣本的對比

結(jié)果顯示波蘭污水廠的活性污泥的細(xì)菌數(shù)量跟采樣時間和污水廠是相關(guān)的。九月的樣本處于左上方，而2號污水廠的樣本處于左下方。這情況在丹麥污水廠很相似，更加明顯。但是PCA分析的兩個主成分的解釋方差不到50%，跟變量變化關(guān)系不大，很難說明問題。

兩位波蘭科學(xué)家進(jìn)而對波蘭和丹麥的樣品放到同一個坐標(biāo)系中作對比，即圖4：丹麥的污水廠有三種不同的類型（只處理市政污水、只有工業(yè)廢水，以及混合處理三種情況），而波蘭的兩座污水廠的樣本相對集中。純粹看圖說話的話，很容易解釋為什么1號污水廠的紅點(diǎn)更靠近丹麥的綠點(diǎn)（純市政污水）而2號污水廠的藍(lán)點(diǎn)更接近紫點(diǎn)（混合污水）——因?yàn)?號污水廠確實(shí)有30-50%的進(jìn)水來自工業(yè)。不過這些數(shù)據(jù)只能解釋變量的一小部分，而且要謹(jǐn)慎處理。(這些主成份和整個系統(tǒng)的變異程度關(guān)系不大)

圖4.PCA分析對丹麥和波蘭污水廠的采樣做的對比

細(xì)節(jié)討論

測試樣品的微生物種群都相當(dāng)類似而且相對穩(wěn)定，而且在波蘭污水廠發(fā)現(xiàn)的特定菌屬也能在丹麥污水廠找到。但是，丹麥污水廠的三種最具優(yōu)勢的菌種——四球蟲屬Tetrasphaera(生物除磷),束毛球菌屬Trichococcus(異養(yǎng)細(xì)菌)和放線菌屬(絲狀異養(yǎng)細(xì)菌)，在波蘭污水廠的豐度卻非常低。

另一方面，波蘭污水廠的蛋白菌Proteobacteria（主要參與COD和氮的去除）的豐度卻很高，這與丹麥的情況很不一樣。另外波蘭污水廠的微生物群落多樣性也低于丹麥，優(yōu)勢菌種的豐度卻更高。

盡管30種豐度最高的細(xì)菌幾乎都在丹麥圈定的核心群落里，那些不在名單上的菌種也是尤其重要性的。菌膠團(tuán)(zoogloea)和反硝化菌參與淀粉樣膠（amyloidadhesins）的形成相關(guān)，它們跟豐度對EPS胞外多聚物以及絮體的形成有重要意義。研究具體菌種的豐度能更好地解釋污泥膨脹等運(yùn)行問題，從而找到解決對策。

另外，他們在波蘭污水廠里發(fā)現(xiàn)了更多的硝化螺菌屬的‘comammox’（COMpleteAMMoniaOXidizers）和亞硝酸鹽氧化菌NOBs(CandidatusNitrotoga)。這應(yīng)該被納入波蘭污水廠的微生物核心群落。Alawi等人的研究曾顯示CandidatusNitrotoga適于低溫地區(qū)的環(huán)境。這些研究都有助科學(xué)家找到NOBs菌種的選擇因素。

結(jié)論

作者最后總結(jié)道，兩國污水廠的細(xì)菌群落大致類似，但波蘭污水廠的與脫氮和除COD相關(guān)的細(xì)菌的豐度更高，而丹麥污水廠的優(yōu)勢菌種則是聚磷菌PAO。波蘭污水廠顯出更強(qiáng)的季節(jié)性變化，但作者承認(rèn)需要更頻繁的樣本量來確認(rèn)這組觀察結(jié)果是否正確。作者希望能對更多的波蘭污水進(jìn)行調(diào)查，從而幫助找到更多的顯著菌種和辨析出波蘭污水廠的核心群落，并最終改善污水廠的運(yùn)行表現(xiàn)。

來源:IWA國際水協(xié)會 

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