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分子生物学方法研究铜锌重金属离子对活性污泥微生物的影响

作　者: 谢冰
导　师: 奚旦立
学　校: 东华大学
专　业: 环境工程
关键词: 重金属序批式活性污泥反应器(SBR) 16S rDNA 随机扩增多态性(RAPD) 荧光原位杂交(FISH)
分类号: X172
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

重金属污染在各种污水中广泛存在，高浓度的重金属对于生物处理会造成抑制，而且排放到水体中的重金属对环境，生态和公众健康都会产生影响。本文从如下几个方面研究了铜锌重金属离子对序批式活性污泥(SBR)工艺的影响，1、重金属对活性污泥工艺的主要理化指标的影响；2、重金属对活性污泥工艺的底物降解动力学参数的影响；3、重金属对活性污泥系统污泥结构和原生动物的影响；4、采用分子生物学方法分析重金属对活性污泥系统中微生物的影响。其中，采用分子生物学技术分析受损微生物群落的研究是本文的研究重点。主要研究结果如下： 1、在20ppm下，重金属铜离子对于未驯化的活性污泥有明显的抑制作用，铜离子的加入会导致出水浊度增加。驯化过程有利于系统对有机物的去除。驯化后的污泥对于重金属的抵抗能力明显加强。铜离子对活性污泥的抑制动力学可以用莫氏方程来进行模拟，常数Ks可以表征污泥微生物被抑制的程度。采取投加特殊营养和活性炭等措施可减轻重金属的抑制。该浓度下的铜离子对氨氮去除的影响很小。 2、锌离子对活性污泥工艺的影响主要表现在对其中氮的转化上，经过锌离子驯化的活性污泥对COD的降解率受影响较小，但是氨氮的降解，特别是亚硝酸氮的转化被明显抑制，而且这种抑制不随驯化时间的延长而减轻。 3、铜锌重金属对原生动物的抑制作用非常明显，特别是在急性毒性的影响考察方面，而在慢性毒性的考察上采用原生动物的指标不太合适。 4、采用修改的污泥DNA提取方法对于活性污泥中微生物总DNA的提取是有效的，这种提取方法不受重金属污染的影响，从提取的DNA的总量和纯度上都能满足分子生物学分析的需要。 5、16S rDNA的长度多态性的方法对污泥中细菌群落进行的半定量分析表明，未驯化活性污泥细菌受低浓度铜离子影响时，尽管动力学参数K值降低，其多样性指数降低，但优势种群变化很小。驯化的活性污泥在高浓度铜离子冲击下，优势种群发生较大的变动。多样性的变化和理化指标的测定结果一致。活性污泥中的proteobacterial β γ与屈桡杆菌和G~+对铜离子的耐受性和累积作用较高。 6、随机扩增多态性(RAPD)方法分析锌离子驯化活性污泥系统微生物的多样性和相似性，结果表明在不同的驯化阶段，DNA序列的多样性是不同的；加入锌离子的微生物多样性明显小于对照组。驯化成熟的实验组尽管在COD的去除率上和对照组没有什么差别，但是生物多样性、丰富度、均匀度和相似性上，与驯化初期及对照组都有较大的差别。从RAPD条带上可清楚地看到某些细菌条带的消失，以及耐受锌离子种类的延续存活。 7、荧光原位杂交(FISH)对受锌离子污染的活性污泥微生物的检测表明，实验组硝酸细菌的分布和丰度与对照组的巨大差距是导致氨氮和亚硝酸根转化率低下的直接原因。该方法快速、直观地为环境样品中目标微生物的检测分析提供了有力的工具。结合传统方法的现代分子生物学技术能为我们深入了解活性污泥微生物群落结构和功能及其多样性提供有效的工具，这方面的研究可为指导外源调控和科学管理提供可靠的依据。

全文目录

中文提要  3-4
英文摘要  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-40
  第一节重金属对活性污泥微生物的影响概述  9-20
    1 前言  9
    2 重金属对活性污泥工艺的影响因子  9-13
    3 重金属对驯化活性污泥微生物的毒性  13-14
    4 重金属对生物反应动力学的影响  14-17
    5 重金属毒性的测试方法  17
    6 重金属对活性污泥微生物群落的影响  17-18
    7 小结  18-20
  第二节活性污泥微生物群落的分子生物学方法分析  20-32
    1 引言  20-24
    2 应用于环境分析的分子生物学技术简介  24-30
      2.1 核酸分子杂交技术  24-26
      2.2 PCR扩增技术  26-29
      2.3 rRNA基因同源分析方法  29-30
    3 小节  30-32
  第三节本论文的研究对象和研究内容  32-33
  参考文献  33-40
第二章铜离子对未驯化活性污泥系统的冲击及恢复技术初探  40-54
  1 前言  40-41
  2 材料和方法  41-44
    2.1 活性污泥工艺模型  41-43
    2.2 样品分析  43
    2.3 数据分析  43-44
  3 结果与讨论  44-50
    3.1 生物动力学常数分析  44-46
    3.2 不同添加物对COD和Cu~(2+)去除的影响  46-50
    3.3 曝气时间对COD和Cu~(2+)去除的影响  50
  4 本章小结  50-51
  参考文献  51-54
第三章活性污泥中微生物总DNA提取方法  54-63
  1 前言  54-55
  2 材料和方法  55-57
    2.1 DNA的抽提和纯化  55-56
    2.2 PCR扩增和电泳  56-57
  3 结果与讨论  57-60
    3.1 总DNA的提取  57
    3.2 DNA的纯度和产量  57-58
    3.3 提出的DNA的PCR扩增  58-60
  4 本章小结  60
  参考文献  60-63
第四章重金属对活性污泥工艺的影响和微生物群落的16SrDNA多态性分析  63-89
  1 引言  63-65
  2 材料和方法  65-69
    2.1 活性污泥系统模型的运行操作  65-66
    2.2 采样分析  66-68
    2.3 数据分析  68-69
  3 结果与讨论  69-83
    3.1 重金属对生化动力学参数和处理效率的影响  69-70
    3.2 特殊营养对Cu~(2+)的吸收和富集作用  70-72
    3.3 Cu~(2+)对活性污泥微生物群落的影响  72-73
    3.4 Cu~(2+)对细菌群落影响的16SrDNA多态分析  73-83
  4 本章小结  83-84
  参考文献  84-89
第五章锌离子对活性污泥污泥系统微生物DNA序列多样性的影响研究  89-122
  1 引言  89-90
  2 RAPD的原理和特点  90-93
  3 材料和方法  93-97
    3.1 实验模型和运行操作  93-94
    3.2 微生物样品采集和DNA提取  94-95
    3.3 RAPD实验  95-97
  4 结果与分析  97-118
    4.1 Zn~(2+)对活性污泥中底物去除率的影响  97-102
    4.2 Zn~(2+)对活性污泥菌胶团和原生动物的影响  102-106
    4.3 提取总DNA浓度和分子量大小  106
    4.4 Zn~(2+)作用下微生物群落结构的RAPD分析  106-111
    4.5 微生物群落DNA序列的丰富度  111-112
    4.6 微生物群落DNA序列的Shannon-Weaver指数及其均匀度  112-113
    4.7 微生物群落DNA序列相似系数  113-118
  5 讨论  118-119
  6 本章小结  119-120
  参考文献  120-122
第六章锌离子污染活性污泥中硝化细菌的FISH技术检测  122-140
  1 前言  122-126
  2 材料和方法  126-130
    2.1 玻片的预处理  126
    2.2 样品的预处理  126-127
    2.3 杂交反应  127-130
    2.4 镜检  130
  3 结果与讨论  130-136
  4 本章小结  136-137
  参考文献  137-140
第七章结论  140-144
致谢  144-145
附录  145-146
发表与博士论文相关文章  146

分子生物学方法研究铜锌重金属离子对活性污泥微生物的影响

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