摘要：生活饮用水是人类生存不可缺少的要素,饮用水安全是食品安全的重中之重。我国珠三角城市饮用水源水近年来普...生活饮用水是人类生存不可缺少的要素,饮用水安全是食品安全的重中之重。我国珠三角城市饮用水源水近年来普遍存在季节性氨氮和有机物污染的问题,传统的水处理工艺(混凝-沉淀-过滤-消毒)对氨氮和有机物的去除效果有限,而增加生物预处理工艺可以经济、环保、高效地去除源水中的微量氨氮和有机物。基于这个目的,本文采用高通量测序技术对饮用水生物滤池中的微生物多样性进行了研究,同时从生物滤池中筛选土著苯酚及氨氮高效降解菌,并联合蛋白组学和转录组学探索高效降解菌的降解机理。在此基础上利用高效降解菌株构建新型生物反应器,并对高效降解菌在实际水处理过程中的稳定性进行了研究。主要研究结果如下:从饮用水臭氧-活性炭滤池中富集了高效苯酚降解菌群,该菌群在3天内能降解80%浓度为300 mg/L的苯酚。PCR-DGGE结果显示,苯酚富集过程中,微生物群落结构发生了很大变化。从苯酚富集后的菌群中,分离到一株苯酚高效降解菌DW-1,经过16S rRNA基因鉴定为Acinetobacter sp.,该菌株能产生苯酚代谢最关键的第一步限速酶—苯酚羟化酶。为了揭示Acinetobacter sp.DW-1苯酚代谢的分子机理,采用蛋白组学和转录组学研究了苯酚降解过程中,显著性表达的蛋白和基因。结果显示:Acinetobacter sp.DW-1主要通过邻位代谢途径,该途径的关键酶苯酚羟化酶和1,2-邻苯二酚双加氧酶在蛋白水平和mRNA水平上显著上调。另外,发现了一些新的候选蛋白(OsmC-like family protein,MetA-pathway of phenol degradation family protein,fimbrial protein and coenzyme F390synthetas)以及转录调控因子(GntR/Lux R/CRP/FNR/TetR/Fis family transcriptional regulator)在苯酚代谢过程中差异显著性表达。尤其MetA-pathway of phenol degradation family protein和fimbrial protein在苯酚生物降解过程中表现出强烈的正相关,Fis family transcriptional regulator作为基因表达的抑制因子发挥作用。研究结果为进一步揭示苯酚的代谢机制提供了数据支撑,为构建更高效的苯酚降解工程菌提供了理论依据。采用高通量测序技术对饮用水炭砂滤池中的微生物多样性进行研究,结果表明:炭砂滤池中的主要优势菌群为Bacillus,Lactococcus,Enterococcus,Paenibacillus和Alkaliphilus等。炭砂颗粒上的微生物经过苯酚富集后筛选到一株高效的苯酚降解菌株CS-1。经过16SrRNA基因鉴定,该菌株属于红球菌属(Rhodococcus sp.)。当苯酚初始浓度为500μg/L时,在100 min内能将其彻底降解完全。同时,固定化Rhodococcus sp.CS-1也具有高效降解苯酚的能力。当采用比较转录组学研究发现,Rhodococcus sp.CS-1是通过邻位降解途径代谢苯酚,不仅通过1,2邻苯二酚双加氧酶催化芳香环裂解,还第一次发现通过原儿茶酸3,4-双加氧酶催化芳香环裂解。采用高通量测序技术对饮用水系统砂滤池中微生物多样性进行研究,结果表明:砂滤池中主要的优势菌为硝化螺菌(Nitrospira)、生丝微菌(Hyphomicrobium)、芽孢杆菌(Bacillus)和慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)。同时筛选到砂滤池中高丰度细菌,芽孢杆菌SF-4。该菌对氨氮具有较好的去除效果。因此,应用砂滤池中土著菌SF-4进行饮用水源水氨氮的去除具有较大的潜力。AOA和AOB amoA荧光定量结果表明,砂滤池中普遍具有氨氧化细菌和古菌,且氨氧化古菌的丰度比氨氧化细菌略高,让我们重新认识到古菌在饮用水系统氮循环中占据不容忽视的地位。Acinetobacter sp.DW-1能成功地固定化于多面体空心聚丙烯球上,形成致密的生物膜。当生物膜生长到72 h时,其活性最高。以饮用水源水为进水,固定化装置运行56 d后,PCR-DGGE和高通量测序结果都表明Acinetobacter sp.DW-1能在装置中稳定存在,且保持较高的丰度。因此,Acinetobacter sp.DW-1能在复杂的水体系中稳定生长,具有很高的实际应用价值。综上所述,本论文筛选获得的饮用水土著苯酚及氨氮高效降解菌,为饮用水微污染物去除菌种资源库的建立提供了优良菌株,也为饮用水微污染物降解菌的筛选提供一种思路。通过探索苯酚降解菌的分子代谢机制,为苯酚高效降解工程菌构建奠定了理论基础。饮用水砂滤池中微生物多样性以及氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的定量分析,为揭示砂滤池的氨氮高效去除机理提供丰富的基础数据。新型微污染物去除装置的构建以及功能菌在实际水处理过程中的稳定性研究为功能菌在生物预处理工艺中的工程实践提供了参考。更多还原显示全部
