自2006年起，丹麥超過50座污水廠(都包含脫氮除磷工序)加入一個名為MiDas-DK的研究項目中來。MiDas-DK是丹麥脫氮除磷活性污泥污水廠微生物數(shù)據(jù)庫(TheMicrobialDatabaseforDanishActivatedSludgeWastewaterTreatmentPlantswithNutrientRemoval)的簡稱。該項目的是要為這些污水廠建立活性污泥微生物數(shù)據(jù)庫。應用的分析技術就是基于16SRNA擴增子測序和深度宏基因組學的量化FISH熒光原位雜交技術。

過十年的積累，這個數(shù)據(jù)庫已經成為一個非常強大的研究活性污泥生態(tài)系統(tǒng)的輔助工具，它幫助丹麥的研究人員優(yōu)化污水廠的運行。他們的愿景是希望世界各地的同行受此啟發(fā)，建立例如在巴西、中國和地球其他角落的類似的數(shù)據(jù)庫，當這些數(shù)據(jù)匯總在一起，當它足夠多的時候，就能成為例如污水界的Google，使科學家獲得對污水工程設計更深更全面的理解。

來自波蘭華沙理工大學和華沙大學的兩位科學家Muszynski和Mi?obe?dzka就對此做出了響應，效仿丹麥的做法，對波蘭的兩座活性污泥工藝的污水廠的微生物群落進行了為期兩年的跟蹤分析。

在此之前，波蘭的污水廠并有通過分子微生物技術獲取的可靠的微生物數(shù)據(jù)庫。在這篇研究報告里，他們采用16S核糖體RNA擴增子的Illumina測序技術，找出了豐度最高（mostaboundent）的菌種，并分析他們在系統(tǒng)中的潛在功能，以及隨時間變化的動力學情況，以此檢驗它們是否包含在丹麥污水廠的核心細菌群落里。

數(shù)據(jù)來源

研究中考察的兩座波蘭污水廠處理的都是市政污水，而且規(guī)模相當，處理能力人口當量PE分別為73,400人和76,000人。兩座廠都有初沉池、以及生物脫氮除磷工序，但包含化學除磷。硝化池使用微孔曝氣器。

兩座廠主要區(qū)別在于反應池的結構和主要的技術參數(shù)。1號污水廠使用A2O反應器，另加前置反硝化和硝化器。2號污水廠使用UCT工藝（南非開普敦大學研發(fā)的）。在2012-2014年的研究期間，1號污水廠出現(xiàn)過嚴重的污泥膨脹問題，還有脫氮表現(xiàn)欠佳的情況，2號污水廠的問題大多是活性污泥的沉降和泡沫的形成。兩個廠的具體工藝細節(jié)和運行表現(xiàn)不在這里詳述，大家下載原文查看它的補充材料了解詳情。

活性污泥的隨機樣品每年采集兩次，每個樣品為100ml（3月初和9月末），采樣點為好氧曝氣池離池面30cm深的位置，然后冷凍保存直至用于DNA提取。

DNA測序由丹麥Aalborg的DNAsenseApS公司的設備操作，目的是測量微生物群落豐度，通過使用丹麥的設備也能更好地和丹麥的情況做對比。然后使用R統(tǒng)計軟件來進行相關的統(tǒng)計分析。

實驗結果

核心群落的特征、豐度和從屬關系

分析結果顯示的優(yōu)勢菌種是蛋白菌門(Proteobacteria)和擬桿菌(Bacteroidetes)。下圖圖1展示的是它們在測試污水廠的活性污泥中的平均豐度（擴增子對的百分比），圖2展示的是它們的季節(jié)性變化。

圖1  數(shù)量最多的豐度最高的30種細菌的功能、身份和豐度的對比

圖2 30種豐度最高的細菌在波蘭污水廠的季節(jié)變化情況；冬天和夏天過后豐度變高的細菌分別用深灰和淺灰標出

這30種豐度最高細菌組占了微生物群落的半數(shù)組成，每組的平均豐度范圍為0.7-9%。圖1也顯示了對應的門(phylum)、種(genus)或者OTU數(shù)。異養(yǎng)反硝化優(yōu)勢菌紅環(huán)菌種Rhodoferax的豐度在其中一次采樣里高達20%（平均值為9%）。排名第二的是黃桿菌Flavobacterium（兩個廠的數(shù)值分別為3.8%和5.1%）它和其他三個擬桿菌門的菌種（QEDR3BF09(3.1%),PHOS–HE28(2.6%),CYCU–0281(2%)）在活性污泥微生物群落里還沒有給出特定的功能。大部分的菌種（18種已經被發(fā)現(xiàn)的和5種未被鑒定出的OTUs）屬于丹麥團隊之前劃分出核心群落名單的菌種。

季節(jié)變化和污水廠對細菌豐度的影響

我們可以從圖2中看出13種菌豐度的顯著變化，從而反映出溫度變化。其中，QEDR3BF09（至今沒被研究過，屬于腐螺旋菌Saprospiraceae）、CandidatusAccumulibacter(變形桿菌、異養(yǎng)反硝化、聚磷菌PAO)、cladeOM27和SBR1029(絲狀綠彎菌)的豐度在夏天之后增加了。

屬于變形桿菌的紅環(huán)菌種Rhodoferax、弓形桿菌Arcobacter、脫氯單胞菌Dechloromonas,紅細菌目Rhodobacter簡單螺旋形菌Simplicispira,貝塔變形菌CandidatusNitrotoga和擬桿菌門的Flavobacterium、PHOS–HE28和OTU_371則呈現(xiàn)相反的趨勢，它們在冬天過后的豐度才增加。兩座污水廠同一菌種的細菌豐度作為兩組獨立數(shù)據(jù)來對待，兩位科學家使用Student’st-檢驗（針對獨立樣本）來對比兩組數(shù)據(jù)，結果顯示污水廠本身的影響性只有Ferruginibacter這菌種上較為顯著。

PCA分析

下圖是10個樣本的微生物群落的主要成成分（PrincipalComponentAnalysis,PCA）分析結果：

▲圖3PCA分析對波蘭兩個污水廠兩個季節(jié)的樣本的對比

結果顯示波蘭污水廠的活性污泥的細菌數(shù)量跟采樣時間和污水廠是相關的。九月的樣本處于左上方，而2號污水廠的樣本處于左下方。這情況在丹麥污水廠很相似，更加明顯。但是PCA分析的兩個主成分的解釋方差不到50%，跟變量變化關系不大，很難說明問題。

兩位波蘭科學家進而對波蘭和丹麥的樣品放到同一個坐標系中作對比，即圖4：丹麥的污水廠有三種不同的類型（只處理市政污水、只有工業(yè)廢水，以及混合處理三種情況），而波蘭的兩座污水廠的樣本相對集中。純粹看圖說話的話，很容易解釋為什么1號污水廠的紅點更靠近丹麥的綠點（純市政污水）而2號污水廠的藍點更接近紫點（混合污水）——因為2號污水廠確實有30-50%的進水來自工業(yè)。不過這些數(shù)據(jù)只能解釋變量的一小部分，而且要謹慎處理。(這些主成份和整個系統(tǒng)的變異程度關系不大)

圖4.PCA分析對丹麥和波蘭污水廠的采樣做的對比

細節(jié)討論

測試樣品的微生物種群都相當類似而且相對穩(wěn)定，而且在波蘭污水廠發(fā)現(xiàn)的特定菌屬也能在丹麥污水廠找到。但是，丹麥污水廠的三種最具優(yōu)勢的菌種——四球蟲屬Tetrasphaera(生物除磷),束毛球菌屬Trichococcus(異養(yǎng)細菌)和放線菌屬(絲狀異養(yǎng)細菌)，在波蘭污水廠的豐度卻非常低。

另一方面，波蘭污水廠的蛋白菌Proteobacteria（主要參與COD和氮的去除）的豐度卻很高，這與丹麥的情況很不一樣。另外波蘭污水廠的微生物群落多樣性也低于丹麥，優(yōu)勢菌種的豐度卻更高。

盡管30種豐度最高的細菌幾乎都在丹麥圈定的核心群落里，那些不在名單上的菌種也是尤其重要性的。菌膠團(zoogloea)和反硝化菌參與淀粉樣膠（amyloidadhesins）的形成相關，它們跟豐度對EPS胞外多聚物以及絮體的形成有重要意義。研究具體菌種的豐度能更好地解釋污泥膨脹等運行問題，從而找到解決對策。

另外，他們在波蘭污水廠里發(fā)現(xiàn)了更多的硝化螺菌屬的‘comammox’（COMpleteAMMoniaOXidizers）和亞硝酸鹽氧化菌NOBs(CandidatusNitrotoga)。這應該被納入波蘭污水廠的微生物核心群落。Alawi等人的研究曾顯示CandidatusNitrotoga適于低溫地區(qū)的環(huán)境。這些研究都有助科學家找到NOBs菌種的選擇因素。

結論

作者最后總結道，兩國污水廠的細菌群落大致類似，但波蘭污水廠的與脫氮和除COD相關的細菌的豐度更高，而丹麥污水廠的優(yōu)勢菌種則是聚磷菌PAO。波蘭污水廠顯出更強的季節(jié)性變化，但作者承認需要更頻繁的樣本量來確認這組觀察結果是否正確。作者希望能對更多的波蘭污水進行調查，從而幫助找到更多的顯著菌種和辨析出波蘭污水廠的核心群落，并最終改善污水廠的運行表現(xiàn)。

來源:IWA國際水協(xié)會 

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