城市污水厂细菌与噬菌体群落关系及丝状菌控制研究

活性污泥中存在大量噬菌体,能够感染在污水处理中发挥关键作用的各种功能细菌，从而调控宿主细菌的种类和数量并影响污水生物处理效果。因此，研究活性污泥体系中细菌和噬菌体群落组成、功能及之间的关系对保障活性污泥体系的稳定性和处理效果有着重要意义。本研究以我国北方城市典型市政污水处理系统为对象，利用高通量测序方法，对体系中细菌及噬菌体群落组成和功能进行解析，并通过CRISPR特征序列对宿主细菌及相应噬菌体进行对应分析，了解宿主细菌的感染历史和进化历程以及噬菌体重组和突变等进化机制，阐明细菌和噬菌体的协同进化关系。同时结合分离培养和分子微生物生态学方法，对活性污泥体系中丝状菌的种类和数量进行长期追踪，并对相应的噬菌体进行分析，解析丝状菌与噬菌体的相互作用关系，探索活性污泥中细菌和噬菌体生态学规律。在深入理解细菌和噬菌体协同进化和相互关系的基础上，探索利用噬菌体控制丝状菌引起的污泥膨胀的新技术。

本课题针对严重干扰城市污水处理厂生物处理工艺日常稳定运行的污泥膨胀现象，系统研究丝状菌及其重要功能种群在膨胀过程中的动态变化规律，细菌种群动态与噬菌体群落的协同变化机制；针对膨胀过程中的主要目标优势细菌及优势丝状菌，通过宿主细菌批量富集培养、显微操作分离培养，结合双层平板筛选目标噬菌体，为活性污泥丝状菌膨胀过程的生物演替机制和生态调控机理奠定相关科学基础。.在北方某大型城市污水处理厂平行运行A2/O及倒置A2/O工艺连续四年的膨胀全周期研究过程中，建立了丝状菌显微镜形态鉴定及镜检计数、原位荧光杂交（FISH）、荧光定量PCR（qPCR）、高通量测序、宏基因组测序等完整的活性污泥种群及噬菌体群落动态研究方法；对膨胀过程中的重要功能种群变化、丝状菌群落结构变化及噬菌体群落协同变化进行了详细的动态解析及关系研究。结果显示，非膨胀期优势种群为变形菌纲，而膨胀期演替为放线菌纲；膨胀期放线菌纲中有超过60%的克隆子属于微丝菌“Candidatus Microthrix parvicella”。膨胀期活性污泥中的重要功能种群氨氧化菌（AOB）、亚硝酸氧化菌（NOB）及聚磷菌（PAO）的比例均出现显著下降，而M.parvicella为可能存在的除磷功能种群。对不同膨胀阶段（膨胀期、恢复期及正常运行期）中细菌种群及噬菌体群落组成与功能的动态分析研究，特别是细菌高通量测序及病毒宏基因组测序结果表明在整个膨胀周期过程中，丝状菌及重要功能种群的动态变化与噬菌体群落的变化紧密相关。这是第一次针对污泥膨胀过程中噬菌体与丝状菌间关系开展的研究，成果不仅丰富了现有噬菌体数据库，同时也为深入理解细菌和噬菌体间相互作用及协同进化和奠定一定基础。.利用双层平板法获得了以膨胀期优势细菌为宿主的烈性噬菌体AJO1，全基因组测序结果显示，噬菌体AJO1为线状双链DNA，总长41437bp，具有专一宿主选择性。由于目标丝状菌M.parvicella为典型难培养菌（世界范围内仅在1998年分离培养成功1株），在常规分离方法失败后，通过批量富集培养结合污水处理厂实际工艺运行条件实现实验室培养条件优化，利用显微操作分离对膨胀污泥中目标丝状菌多次优化分离，最终获得7株具有形成微小菌落并持续生长能力的纯培养M.parvicella，为后续目标丝状菌准确生理生化信息数据获取、噬菌体生态调控机制研究迈出了的重要的一步。