城市污水处理系统中氨氧化古菌的富集与动力学特性研究

高效低耗地去除城市污水的氮类物质是控制我国水体严重富营养化状况的有效措施，经典生物脱氮的必须步骤－氨氧化过程，能耗较高。2005年发现了一种新微生物物种- - 氨氧化古菌（AOA），其在一些自然环境的氮循环中起主导作用，近期在低溶解氧（DO）污水厂中检测出AOA，使得在低DO条件下的污水处理系统中富集AOA成为可能，这将不仅能完成氨氧化，且能够降低运行能耗。但目前对污水处理系统中AOA的研究极少，许多科学问题亟待研究。因此，本课题拟重点研究与建立有效检测污水处理系统中AOA的分子生物学方法；有针对性地选择多个污水处理系统，分析AOA的分布，识别AOA的赋存条件；在此基础上，构建小型污水处理系统，研究在其中富集AOA的方法，AOA和AOB在富集过程中的数量关系，及其对氨氮的硝化特性；分析AOA的生长与代谢特性，建立描述其行为的动力学模型。为AOA在城市污水处理脱氮系统中的应用提供科学依据。

项目取得的主要研究成果有：.1. 建立并优化了针对水处理系统样品中AOA编码氨单加氧酶α亚基的基因（amoA）的检测方法。对于PCR方法，采用Arch-amoAF/R引物对时，优化扩增条件为退火温度45℃, 引物浓度0.4μM, Mg2+浓度2.0mM。对于定量PCR方法，优化退火温度为47℃，引物浓度为0.2μM。.2. 使用优化后的检测方法，检测了不同污水处理系统和土壤样品中AOA的赋存情况，发现天津华静污水处理厂的活性污泥样品及北京大兴青云店的农田土壤样品中含有较高丰度AOA，确定为后续富集实验接种源。.3. 针对高原土壤农业样品，研究了AOA的群落分布特征及其与土壤化学性质的关系。结果发现样品中AOA丰度均大于AOB，表明AOA可能在高原农业土壤氨氧化过程中发挥了更为重要的作用。此外，所研究的高原农业土壤样品中的AOA群落分布均具有一定的地域特点和较强的不均匀性，且其群落多样性与某些土壤化学性质存在显著负相关性。.4. 提出了多种富集AOA的策略。发现综合采用添加抗生素、过膜接种以及优化培养基组分策略时，可以将土壤和活性污泥中的氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）有效杀灭，获得能稳定传代的AOA富集菌群。.5. 从土壤中富集获得了AOA富集菌群，其中AOA菌群占体系中所有原核生物量的90%以上，为体系中的优势微生物。经检验，AOA菌群中的古菌16S rRNA基因序列相似度在99.8%以上，且均属于GroupI.1a，表明已成功富集到一株AOA。根据序列比较分析结果，发现该株AOA的16S rRNA基因与文献中已富集的菌株相似度在92%以下，amoA基因相似度在84%以下，为未见报道的新菌种。.6. 本研究首次从污泥中获得AOA富集菌群，其中包含多种菌株。从16S rRNA基因判断这些菌均属于GroupI.1b，但从amoA基因判断均属于GroupI.1a。.7. 采用富含AOA的土壤构建了含水层处理系统用于模拟污水处理，系统在长期运行中保持了较好的脱氮能力，发现其中的AOA丰度始终维持在较高水平。此外，通过定量PCR和高通量测序，可推断该系统中的古菌可能均含有amoA基因，即被确认为AOA。. 富集AOA是一个非常艰苦的过程，经过2年多的努力，今年才获得AOA富集菌群，计划中最后一部分氨氧化古菌的动力学特性的研究仍在进行之中。