生物增強(qiáng)活性炭優(yōu)勢菌群穩(wěn)定及競爭特征研究.pdf

1、水源污染和可利用水資源的日益短缺問題為保障供水安全提出了挑戰(zhàn)。生物增強(qiáng)活性炭技術(shù)（Bio-enhanced Activated Carbon，BEAC）將篩選出的優(yōu)勢菌群固定在活性炭載體上，用于飲用水深度處理，可以增強(qiáng)對有機(jī)物的降解效能、提高降解速率，因此受到廣泛關(guān)注。目前對于BEAC工藝的研究重點(diǎn)在于通過選擇適宜的活性炭、調(diào)控工藝運(yùn)行，利于優(yōu)勢菌群生長、防止外入菌群生長、保持高生物活性和生物量，確保工藝穩(wěn)定運(yùn)行。然而以上研究均未涉及優(yōu)

2、勢菌的菌群結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，優(yōu)勢菌間的相互關(guān)系，以及優(yōu)勢菌群對生態(tài)位的競爭關(guān)系。優(yōu)勢菌群是BEAC工藝的核心，研究優(yōu)勢菌群的穩(wěn)定特征及競爭關(guān)系，對于保障BEAC工藝穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
　　為了減少由DNA提取不當(dāng)導(dǎo)致的DGGE分析結(jié)果偏差，本文首先進(jìn)行了3種不同活性炭上菌群 DNA提取方法的研究，通過測定 DNA量、DNA純度和DGGE圖譜，結(jié)果表明采用方法C（20kHz、輸入能量為40W的超聲波預(yù)處理120s，用1％CTAB

3、、100μL10mg/L蛋白酶K和1.5 mL20%SDS對菌體細(xì)胞裂解）提取的基因組總DNA經(jīng)DGGE分析后，可獲得完整的DGGE菌群圖譜，為最佳DNA提取方案。針對難以應(yīng)用FISH檢測活性炭上菌群的問題，采用超聲振蕩分離活性炭上菌群后，在不同條件下進(jìn)行雜交試驗(yàn)，通過測定菌群數(shù)量，發(fā)現(xiàn)FISH方法可獲得最多的菌群數(shù)量，其具體步驟為：超聲振蕩120s預(yù)處理后，樣品用8μL含有50ng探針的雜交緩沖液，在40°C恒溫下雜交3h，之后用不含

4、探針的雜交緩沖液在42°C條件下洗脫20min。
　　應(yīng)用上述最佳DNA提取方法和FISH檢測方法，對普通生物活性炭（BAC）濾池進(jìn)行菌群監(jiān)測，確定優(yōu)勢菌的菌屬，并進(jìn)行分離，獲得5株優(yōu)勢菌（SRO2，SRO11，SRO19，SRO20和SRO30）。通過優(yōu)勢菌對TOC降解效果研究，以及測定世代時(shí)間和脫氫酶活性，發(fā)現(xiàn)篩選出的優(yōu)勢菌與其他細(xì)菌相比，同時(shí)具備較高的TOC降解能力、快速生長能力和高脫氫酶活性。
　　將篩選的5株優(yōu)勢菌

5、混合后固定于活性炭上，建立BEAC工藝體系。采用最佳DNA提取，及DGGE、ATP、SEM和FISH等技術(shù)對比分析了BEAC和普通BAC工藝中菌群動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢菌具有代謝能力強(qiáng)、生物活性高和生長速度快的優(yōu)點(diǎn)，在BEAC工藝運(yùn)行期間，上、中、下層菌群生物活性比普通BAC高（BEAC工藝運(yùn)行至90d時(shí)，菌群生物活性已超過1000ngATP/g炭，運(yùn)行至180d時(shí)，上、中、下層菌群生物活性均超過1500ngATP/g炭，而BAC工藝

6、運(yùn)行期間，最高生物活性僅為1023.5ngATP/g炭）；BEAC工藝菌群生物活性增長速度較普通BAC快（BEAC工藝菌群活性平均增長速率為7.70[ng ATP·g-1炭·d-1]，而普通 BAC工藝僅為5.12[ng ATP·g-1炭·d-1]），BEAC工藝對TOC的平均去除率為76.24%，而普通BAC僅為58.97%。BEAC工藝中優(yōu)勢菌群沿活性炭柱上、中、下層的分布相對均一，各層優(yōu)勢菌群均能充分發(fā)揮作用，提高了BEAC工藝對

7、有機(jī)物的去除效率，優(yōu)勢菌群對提高污染物降解效果和工藝穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。
　　優(yōu)勢菌SRO30在BEAC工藝中的比例最高，在運(yùn)行至180d時(shí)，占生境中總生物量的50%左右；其次是SRO19，占總生物量的25%以上。BEAC工藝運(yùn)行期間，優(yōu)勢菌群總量呈增加趨勢，但優(yōu)勢菌SRO11數(shù)量逐漸減少。在對BEAC工藝優(yōu)勢菌群競爭關(guān)系研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，種群競爭與最低資源（有機(jī)物）需求（R*）有關(guān)，由于BEAC工藝中可利用的資源（有機(jī)物）低于優(yōu)勢

8、菌SRO11的最低資源（有機(jī)物）需求（R*），導(dǎo)致180d后SRO11從工藝體系中消失。
　　假單胞菌屬的SRO2、SRO11、SRO19和SRO20之間以利用性競爭為主，SRO30與4株假單胞菌（SRO2、SRO11、SRO19和SRO20）之間以干擾性競爭為主。應(yīng)用Lotka-Volterra方程計(jì)算了BEAC工藝中假單胞菌屬（SRO2，SRO19和SRO20）和枯草芽孢桿菌SRO30的負(fù)荷量K1和K2，競爭系數(shù)α和β，結(jié)果表

9、明，在一定條件下，BEAC濾池上、中、下層的假單胞菌屬競爭系數(shù)α均小于K1/K2，枯草芽孢桿菌競爭系數(shù)β均小于K2/K1，枯草芽孢桿菌（SRO30）和假單胞菌屬（SRO2，SRO19和SRO20）可以共存于BEAC反應(yīng)體系中，最終形成穩(wěn)定體系。
　　通過以上研究，建立了一種活性炭微生物DNA提取和FISH檢測方法，為活性炭上菌群分析提供了可靠的技術(shù)手段；發(fā)現(xiàn)了枯草芽孢桿菌Bacillussubtilis SRO30和穿孔假單胞菌P