摘 要

活性污泥在城市污水处理中起着至关重要的作用，研究活性污泥中的菌群结构及功能，提高活性污泥系统中微生物群落的种类与多样性，能够有效提高污水处理效率。此外，活性污泥中菌群结构的相关研究，可以为污水厂的调控提供理论依据。本研究对武汉市某污水处理厂好氧区取得的活性污泥，进行高通量测序，获得污泥样品中所有微生物的16S rDNA序列，并鉴定出微生物的种类。根据测序结果，得到污水处理厂污泥中的优势菌，并分析其菌群结构以及功能菌在污水处理过程中所起的作用。结果表明：变形菌门 ( Proteobacteria)与拟杆菌门( Bacteroidetes)相对丰度分别为61.1%和19.3%，占该活性污泥中微生物的绝大多数。在属水平上，Dokdonella相对丰度最高，为4.76%，其次为Azonexus，Dechloromonas等。活性污泥中某些优势菌属在污水处理过程中发挥着特定的功能，如Azoarcus具有固氮和反硝化作用、Rhodocyclus具有聚磷作用、Nitrospira具有硝化作用等，但仍有部分细菌未能确定其功能。

关键词：活性污泥；菌群结构；高通量测序；功能菌

Abstract

Activated sludge plays an important role in the treatment of municipal sewage. It is necessary to study the structure and function of bacteria in activated sludge, improve the species and diversity of microbial communities in activated sludge system, and improve the efficiency of sewage treatment. In addition, the relevant research on the microbial structure of activated sludge can provide a theoretical basis for the regulation of sewage plant. In this study, 16S rDNA sequences of all microorganisms in sludge samples were obtained by high-throughput sequencing of activated sludge obtained from aerobic zone of a sewage treatment plant in Wuhan, and the types of microbes were identified. According to the sequencing results, the dominant bacteria in the sludge of the sewage treatment plant were obtained, and the structure of the flora and the function of the functional bacteria in the sewage treatment were analyzed. The results showed that the relative abundance of Proteobacteria and Bacteroidetes were 61.1% and 19.3%, respectively, which accounted for the vast majority of microorganisms in the activated sludge. At the level, Dokdonella had the highest abundance of 4.76%, followed by Azonexus, Dechloromonas and so on. Some dominant bacteria in the activated sludge play a specific role in the sewage treatment process, such as Azoarcus with nitrogen and denitrification, Rhodocyclus with polyphosphate, Nitrospira with nitrification, etc,but still some bacteria failed to determine its features.

Key Words：Activated sludge; flora structure; high-throughput sequencing; functional bacteria

目 录

第1章 绪论 1

1.1活性污泥菌群结构研究方法 1

1.1.1 培养基选择分离 1

1.1.2 变性/温度梯度凝胶电泳 1

1.1.3 16S rRNA—PCR技术 2

1.1.4 荧光原位杂交技术及其相关技术 2

1.1.5 现代培养技术 3

1.2 活性污泥菌群结构研究进展 3

1.3课题背景、目的及意义 4

1.3.1课题背景 4

1.3.2目的及意义 4

第2章实验内容 5

2.1材料和设备 5

实验设备 5

2.2实验方法 5

2.2.1污泥样品的采集及预处理 5

2.2.2高通量测序 5

2.4 测序数据分析 10

2.4.1数据预处理 10

2.4.2 操作分类单元 (OTU) 分类 10

2.4.3 样品丰富度和多样性分析 11

2.4.4 物种分类 11

3.结果与讨论 12

3.1高通量测序的统计学分析 12

3.2菌群结构 12

3.3 污泥中主要菌属的功能 14

4.结论与展望 17

参考文献 18

致 谢 22

第1章 绪论

1.1活性污泥菌群结构研究方法

在污水处理厂，活性污泥是将污染物转化的主要部分，污水处理厂处理污水的能力取决于它的生物活性，而微生物菌群的结构和功能又决定了活性污泥的生物活性^[1]。微生物在活性污泥中的种类非常丰富，细菌是其中最主要的成分。随着理论知识和分子生物技术的进步，对微生物群落结构的研究方法也在不断改进。目前，常用的微生物菌群结构的研究方法有培养基选择分离、变性/温度梯度凝胶电泳、16S rRNA序列比较、荧光原位杂交技术及其相关技术、现代培养技术等。

1.1.1 培养基选择分离

在含有高浓度营养物的选择性培养基中接种一定量样品，然后统计其生长的菌落，观察各种微生物群落的生化特性与形态结构，在种属上进行分类鉴定。此方法是微生物研究的重要手段之一，该方法在研究活性污泥菌群中占据着重要的地位。

在研究微生物结构及功能上，传统的纯培养技术会受到很大的限制，这种检测出的细菌只是很小一部分（占细菌总数的0.1%～1%），并且培养分离过程的时间久，操作量很大，这导致如今微生物在污水处理过程发挥的作用仍在初步的研究阶段^[2]。