污水处理系统中噬菌体的生态分布、多样性及对细菌群落和系统运行的调控作用

Although high richness of bacteriophages has been detected in wastewater treatment systems, information on bacteriophage ecology in wastewater environments, and information on classification and identification of environmental bacteriophages in virus databases are still very scared. In this project application, detailed researches about distribution, abundance, diversity and dominant populations of bacteriophages in different wastewater treatment systems will be conducted by using virus metagenomics, high-throughout pyrosequencing together with traditional isolation and identification techniques, fluorescence microscopic and electron microscopic techniques to clarify how the bacteriophage ecology is correlated with wastewatrers and wastewater treatment processes. Bacteriophages and their hosts will be largely isolated and identified from wastewater treatment systems. The bacteriophages' host ranges and the environmental conditions required for virus infection in different species of hosts will be investigated in detail to preliminarily elucidate the regulatory mechanisms of bacteriophages on bacterial community in a given environment. Based on the genetic traits of the donimant bacteriophages, primers or probes will be designed to investigate the dynamics of the dominant or wide-range bacteriophages with running of wastewater treatment systems. By analysis wether or how the dominant bacteriophages regulate the dominant bacterial populations, system running performances, sludge production and sludge settling properties, etc., it is expected to finially elucidate the ecological functions of bacteriophages in wastewater treatment systems.

噬菌体在污水处理系统中的丰度极高，但它们在污水处理系统中的生态学信息和数据库中有关环境噬菌体的分类鉴定信息目前都非常匮乏。本项目申请拟通过宏基因组技术结合传统的分离培养鉴定技术、荧光显微镜和电镜观察技术，系统研究城市污水处理系统和不同工业废水处理系统中噬菌体的分布、丰度、多样性和优势种群，阐明噬菌体的生态学信息与污水水质和工艺过程之间的相关性；通过大量分离鉴定污水处理系统中的噬菌体和宿主，研究噬菌体的宿主范围、噬菌体对不同宿主的侵染条件，初步阐明在一定环境条件下噬菌体对微生物群落的调控机制；根据优势噬菌体或宽宿主噬菌体的遗传学特性，设计引物或者探针，追踪研究优势噬菌体或宽宿主噬菌体随着污水处理系统运行过程的动力学变化，阐明噬菌体对污水处理系统中优势细菌群落、系统运行性能、污泥产生和沉降性能等的调控作用，进而阐明噬菌体在污水处理系统中的生态学意义。

本项目建立了噬菌体的分离、纯化、全基因组测序组装、电镜观察等一系列单株噬菌体的研究方法；建立了环境总噬菌体核酸提取和宏基因组测序分析的方法；建立了环境噬菌体和细菌荧光显微镜计数的生态学研究方法；研究了印染、肌酐发酵和城市污水处理系统中噬菌体丰度与污泥沉降性能的关系，噬菌体高丰度地存在于污水处理系统的各处理单元中；利用高通量测序和噬菌体宏基因组学技术系统追踪了3家全规模城市污水处理厂不同处理工艺中细菌和噬菌体群落的丰度、多样性、组成变化及其对污泥特性的影响，研究发现，污泥膨胀期噬菌体和细菌的数量平衡关系被打破，细菌与噬菌体的比例增加、多样性减少，引起污泥膨胀的细菌丰度明显增加；膨胀期和非膨胀期噬菌体受体结合蛋白基因丰度和多样性具有明显差异，并与相应宿主细菌属的丰度和多样性存在负相关性，说明噬菌体对细菌的调控作用巨大，其调控与噬菌体受体结合蛋白相关。该结果为进一步开展噬菌体对细菌的侵染关系研究提供了思路。建立了实验室小试AO系统，研究了系统中抗生素暴露对噬菌体和细菌群落的影响，结果表明，低剂量抗生素暴露能够明显抑制细菌和噬菌体的丰度，抗生素联合暴露对噬菌体抑制更明显，造成噬菌体和细菌比例降低，细菌和噬菌体的优势种属都发生明显变化，并进而导致膨胀加剧。从不同污水处理厂分离噬菌体50多株，分别对噬菌体和其宿主进行了鉴定，研究了噬菌体的侵染条件和宿主范围；建立了SBR模拟污水处理系统，向该系统中回加噬菌体菌剂可以明显提高污水处理性能，使出水COD进一步降低50%，氨氮、总氮和磷浓度降低10-20%，污泥沉降性良好。对分离获得的多重耐药细菌的噬菌体进行了全基因组测序，发现该噬菌体可能通过转导作用介导耐药基因水平转移；通过设计模拟装置对噬菌体在污水处理系统中介导耐药基因水平转移中的作用目前正在研究之中。项目完成了计划目标，在国际主流SCI期刊发表论文18篇，发表中文核心期刊论文7篇。