工业园区水环境中氨氧化菌的构成及其在氨氮转化中的作用

我国工业的集约化快速发展使区域环境面临巨大压力，在已严格控制COD排放总量的前提下，水环境中氨氮超标问题日趋突出，氨氮被列为"十二五"期间新的减排指标。氨氧化是水体脱氮的关键步骤，包括氨氧化细菌、氨氧化古菌、厌氧氨氧化菌及异养硝化菌的4类氨氧化菌在氨氮转化中发挥着重要作用，水生态系统中氨氧化菌的构成及对环境因子的响应决定了氨氮转化的总进程和效率。本项目拟在我国经济活跃的长江三角洲地区，选择杭州湾上虞工业园区为研究对象，联合使用分子生态技术与环境学手段，对园区内的废水、污泥及纳污海域连续采样和监测，考察氨氮微生物转化途径及调控机理，重点研究不同环境条件下氨氧化菌的种群构成及各类菌对氨氮转化的贡献，综合评价园区对周边水体的生态影响以及微生物种群对污染的适应性变化。研究将揭示污水处理的人工环境和受人为干扰的自然环境中氨氮转化机制，为有效削减工业园区氨氮排放总量和控制水体富营养化提供科学依据。

项目团队通过定量PCR、焦磷酸测序、稳定同位素探针等技术分析了工业园区废水处理系统和纳污海域中微生物群落，特别是氨氧化菌群结构；结合水体、沉积物理化性质和其他环境因子指标分析，探究了工业园区废水排放对纳污海域微生物群落的生态影响，重点探讨了不同氨氮污染水平下氨氧化菌群的群落差异、活性变化及对氮循环过程的贡献。主要研究发现和结论有：.1）采集上虞工业园区内典型行业的废水处理系统、园区废水集中处理的污水处理厂的活性污泥以及杭州湾内纳污区域的沉积物，从水流向关系的角度，进行了微生物群落结构的比较。结果显示，废水处理系统活性污泥比杭州湾沉积物具有更高的生物量，而两类样品中细菌数量均高于古菌数量；废水处理系统中氨氧化古菌（AOA）数量极低，氨氧化细菌（AOB）的数量远高于AOA，是氨氧化菌群的主体；而杭州湾沉积物中AOA、AOB数量接近；废水流向关系对样品间细菌群落结构相似性的影响更明显；陆源污染输入对纳污区域AOB群落结构的影响更明显。.2）对纳污区域沉积物的微生物群落结构进行时空差异的分析。结果显示，纳污区域的微生物群落结构，包括氨氧化菌群落结构，存在明显的季节差异，而纳污区域内各位点微生物群落结构之间保持较高的相似度；细菌的主要群落为Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria，与温度表现出很强的正相关性，而与水体COD呈现很强的负相关性；主要的古菌群落为Marine_Group_I，与温度表现出一定的负相关性；Nitrosomonas-like簇、Nitrosomonas Nitrosa簇、Nitrosomonas europaea簇是主要的AOB群落，Nitrosopumilus是AOA群落结构中最主要的类群；水体氨氮浓度的提高可能使纳污区域AOA在氨氧化菌群中的比例得到提高。.3）通过构建不同氨氮浓度模拟培养体系结合稳定同位素探针技术，揭示了水体氨氮浓度对纳污区域沉积物中氨氧化菌群结构影响的规律，即在贫氨氮条件下（≤0.1 mg/L），沉积物中AOA的氨氧化活性高于AOB，是氨氧化作用的主要菌群；氨氮浓度升高（≥2 mg/L）能极大地刺激AOB的生长和氨氧化活性，使其成为沉积物中氨氧化的主体，而AOA的氨氧化活性在较高氨氮浓度下受到抑制。