魏京燾，龔 雪，李 雪，燕亞剛，李 瑤，趙俊茹，楊世君，王繼華

(哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025)

不同地區(qū)污水廠尾水中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性研究

魏京燾，龔 雪，李 雪，燕亞剛，李 瑤，趙俊茹，楊世君，王繼華*

(哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025)

摘要[目的]研究不同地區(qū)污水廠尾水中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性。[方法]利用傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)方法對(duì)城市污水廠(哈爾濱太平污水廠、常州城北污水廠、海南白沙門污水廠)尾水中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。[結(jié)果]經(jīng)過處理后污水廠尾水的微生物數(shù)量大幅度減少，其中城北污水廠尾水中細(xì)菌總數(shù)最少；太平污水廠與城北污水廠細(xì)菌種群的相似性較高，芽孢桿菌屬(Bacillus)和不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)是3個(gè)污水處理廠的共有菌屬，城北污水廠尾水中檢測(cè)出含有凈化水質(zhì)的生絲微菌屬(Hyphomicrobium)和紅假單胞菌屬(Pseudomonas)。[結(jié)論]該研究結(jié)果可為污水廠尾水的回收利用提供理論參考。

關(guān)鍵詞污水廠尾水；微生物；群落結(jié)構(gòu)；多樣性

污水再生利用是解決水資源短缺問題的有效途徑，也是滿足水資源可持續(xù)利用重大需求的有力保障[1]。微生物群落結(jié)構(gòu)是微生物生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)，對(duì)于開發(fā)微生物資源、闡明微生物群落與其生活環(huán)境的關(guān)系、揭示群落結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系、指導(dǎo)微生物群落功能的定向調(diào)控具有重要意義[2]。

城市污水經(jīng)過二級(jí)處理后，水質(zhì)明顯改善，細(xì)菌含量大幅度減少，但細(xì)菌的絕對(duì)值仍很高，并可能存在病原菌，這就要求對(duì)污水進(jìn)行消毒處理[3]。同時(shí)，經(jīng)消毒處理后尾水的排放與人類的生活密切相關(guān)，如果排放不合理，可能對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。因此，對(duì)消毒后的尾水進(jìn)行微生物多樣性分析，可檢測(cè)是否有病原菌的存在，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)資源化[4-5]。筆者以哈爾濱太平污水處理廠、常州城北污水處理廠和海南白沙門污水處理廠的尾水為研究對(duì)象，研究污水廠尾水中微生物群落結(jié)構(gòu)組成及其多樣性，旨在為污水廠尾水的回收利用提供理論參考。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1 水樣采集。尾水水樣分別從哈爾濱太平污水處理廠(TP)、常州城北污水處理廠(CB)和海南白沙門污水處理廠(BS)采集。

1.1.2藥品及試劑。酵母膏、牛肉膏、蛋白胨、氯化鈉、瓊脂、葡萄糖、蔗糖、乳糖、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、硫酸亞鐵、檸檬酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鉀、吲哚、淀粉等均購自哈爾濱鑫圣基科技開發(fā)有限公司。

1.1.3試驗(yàn)儀器。電子分析天平、可控溫電爐、高壓滅菌鍋、無菌操作臺(tái)、離心機(jī)、干燥箱、恒溫培養(yǎng)箱、搖床、752 型分光光度計(jì)、光學(xué)顯微鏡、恒溫水浴箱、冰箱等。

1.2試驗(yàn)方法運(yùn)用傳統(tǒng)微生物分離方法對(duì)水樣的微生物進(jìn)行分離與純化，進(jìn)行形態(tài)觀察并記錄，對(duì)純化的細(xì)菌菌株進(jìn)行生理生化試驗(yàn)，包括苯丙氨酸脫氫酶試驗(yàn)、接觸酶(過氧化氫)試驗(yàn)、尿素試驗(yàn)、糖發(fā)酵(葡萄糖、蔗糖、淀粉)試驗(yàn)、甲基紅(M.R.)試驗(yàn)、乙酰甲基甲醇(V.P)試驗(yàn)、淀粉水解試驗(yàn)、纖維素水解試驗(yàn)、吲哚試驗(yàn)、檸檬酸鹽試驗(yàn)和硝酸鹽試驗(yàn)，測(cè)試細(xì)菌對(duì)生物大分子，含C或含N化合物的利用情況[6]。根據(jù)經(jīng)典的微生物分類方法，參照《伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)》(第8版)[7]、《微生物分類學(xué)》[8]依據(jù)微生物的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)和生態(tài)學(xué)特征進(jìn)行初步的分類，對(duì)菌種的形態(tài)學(xué)特征及生理生化特征進(jìn)行鑒定。

1.3數(shù)據(jù)處理

(1)

微生物種群的多樣性水平通過Shannon 多樣性指數(shù)(H’)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef豐富度指數(shù)(R)進(jìn)行測(cè)度[9]，按照以下公式計(jì)算：

H’=-∑pilnpi(i=1，2…n)

(2)

J=H’/lnS

(3)

R=(S-1)/lnN

(4)

式中，pi是第i種微生物的個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例，可以用pi=Ni/N求出，Ni為第i種物種個(gè)體數(shù)，N為總個(gè)體數(shù)，S為每個(gè)樣品中的物種總數(shù)。

使用Primer 5軟件進(jìn)行細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的聚類分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同污水廠尾水水樣的細(xì)菌總數(shù)比較從圖1可以看出，3個(gè)污水廠尾水樣品中的細(xì)菌總數(shù)從大到小依次為TP、BS、CB。哈爾濱太平污水處理廠(TP)尾水的細(xì)菌總數(shù)最高，為6.2×104CFU/L。CB污水廠尾水的細(xì)菌總數(shù)相對(duì)較低，為4.2×104CFU/L。CB與TP之間差異顯著(P<0.05)，而TP與BS之間、CB與BS之間細(xì)菌總數(shù)也呈現(xiàn)一定差異，但未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。細(xì)菌總數(shù)是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，水中的細(xì)菌總數(shù)通常與水體受污染程度呈正相關(guān)，但是某些有毒物質(zhì)對(duì)細(xì)菌也存在抑制作用，CB污水處理廠尾水的細(xì)菌總數(shù)最少，推測(cè)CB污水廠相較于其他污水廠的尾水處理工藝更先進(jìn)，更加符合污水的排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2不同污水廠尾水水樣的細(xì)菌分離情況由表1可知，哈爾濱太平污水廠(TP)尾水中芽孢桿菌屬和不動(dòng)桿菌屬的含量較多，分離頻率分別為24.36%和22.22%，屬于優(yōu)勢(shì)菌群；布蘭漢氏球菌屬含量較少，分離頻率為0.43%，屬于稀有菌屬。該試驗(yàn)檢出尾水含有氣單胞菌屬，而氣單胞菌屬具有一定的危害性，在污水的處理過程中須嚴(yán)格控制，并加以重視。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases stand for significant difference (P<0.05).圖1　不同尾水樣品細(xì)菌總數(shù)的比較Fig.1　Comparison of bacteria amount in different tail water samples

由表2可知，常州城北污水廠(CB)尾水中不動(dòng)桿菌屬和芽孢桿菌屬含量相對(duì)較高，屬于優(yōu)勢(shì)菌群；德克斯氏菌屬含量較少，屬于稀有菌屬。該試驗(yàn)并檢出了生絲微菌屬和紅假單胞菌屬，生絲微菌是一種能氧化鐵和錳的細(xì)菌，常分布于淡水環(huán)境和輸水管道中，在城市飲用水凈化中起著重要作用[10]；紅假單胞菌是一種光合細(xì)菌，具有凈化水質(zhì)的能力。

表1　TP污水處理廠尾水中細(xì)菌的分離情況

表2　CB污水處理廠尾水中細(xì)菌的分離情況

由表3可知，海南白沙門污水廠(BS)尾水中芽孢桿菌含量最高為31.1%，為優(yōu)勢(shì)菌屬，而德克斯氏菌屬含量較低，屬于稀有菌屬。通過對(duì)3個(gè)污水廠尾水中可培養(yǎng)細(xì)菌的分離、純化及鑒定，發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌屬(Bacillus)和不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)為以上3個(gè)污水處理廠的共有菌屬，同時(shí)各污水廠細(xì)菌菌屬也存在差異性，表現(xiàn)在稀有菌屬的有無和共有菌屬含量的差異上。

表3　BS污水處理廠尾水細(xì)菌的分離情況

2.3水樣的微生物豐度及多樣性分析通過Shannon多樣性指數(shù)(H’)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef豐富度指數(shù)(R)等指標(biāo)分析3個(gè)污水廠尾水中微生物群落的多樣性，多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)最高的均為哈爾濱太平污水廠(TP)，最低的均為海南白沙門污水處理廠(BS)(表4)。

表4不同污水廠尾水水樣細(xì)菌種群的多樣性指數(shù)比較

Table 4Comparison of the diversity indices of bacteria population in different tail water samples from various sewage treatment plants

污水廠Sewagetreatmentplants多樣性指數(shù)(H’)Diversityindex均勻度(J)Evennessindex豐富度(R)RichnessindexTP1.91560.92121.9244CB1.75380.90131.5417BS1.66390.85511.4029

2.4不同污水廠尾水水樣中細(xì)菌種群的聚類分析從表5和圖2可以看出，哈爾濱太平污水廠(TP)與常州城北污水廠(CB)的細(xì)菌種群相似性系數(shù)為0.800 0，哈爾濱太平污水廠(TP)與海南白沙門污水廠(BS)的細(xì)菌種群相似性系數(shù)為0.666 7，海南白沙門污水廠(TP)與常州城北污水廠(CB)的細(xì)菌種群相似性系數(shù)為0.714 3。根據(jù)Jaccard相似性系數(shù)原理，哈爾濱太平污水廠(TP)與常州城北污水廠(CB)的細(xì)菌種群為極相似，海南白沙門污水廠(BS)與哈爾濱太平污水廠(TP)、常州城北污水廠(CB)的細(xì)菌種群為中等相似。

表5　不同污水廠尾水水樣中細(xì)菌種群的相似性系數(shù)Table 5　Similarity coefficient of bacterial population in different tail water samples from various sewage treatment plants

圖2　不同污水廠尾水水樣中細(xì)菌種群的聚類分析結(jié)果Fig.2　Clustering analysis result of bacterial population in different tail water samples from various sewage treatment plants

3結(jié)論

筆者利用傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)方法對(duì)城市污水廠(哈爾濱太平污水廠、常州城北污水廠、海南白沙污水廠)尾水中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)哈爾濱太平污水廠(TP)尾水的細(xì)菌總數(shù)最高，常州城北污水廠(CB)尾水的細(xì)菌總數(shù)最少，推測(cè)常州城北污水廠(CB)的尾水處理工藝更先進(jìn)，更加符合污水的排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)對(duì)細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)解析表明，不同尾水樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在較大差異，芽孢桿菌屬(Bacillus)和不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)是以上3個(gè)污水處理廠的共有菌屬，在常州城北污水廠(CB)尾水中檢測(cè)出生絲微菌屬和紅假單胞菌屬，對(duì)于提高水質(zhì)和凈化效果都有積極作用。

(3)3個(gè)污水處理廠尾水多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)最高的均為哈爾濱太平污水廠(TP)尾水中細(xì)菌群落，最低的均為海南白沙門污水處理廠(BS)尾水中細(xì)菌群落。

(4)聚類分析結(jié)果表明，哈爾濱太平污水廠(TP)與常州城北污水廠(CB)的細(xì)菌種群為極相似，海南白沙門污水廠(BS)與哈爾濱太平污水廠(TP)、常州城北污水廠(CB)的細(xì)菌種群為中等相似。

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Research on the Diversity of Microbial Community Structure of Tail Water from Sewage Plants in Different Areas

WEI Jing-tao, GONG Xue, LI Xue, WANG Ji-hua*et al

(College of Life Science and Technology, Harbin Normal University, Harbin, Heilongjiang 150025)

Abstract[Objective] The aim was to study the diversity of microbial community structure of tail water from sewage plants in different areas. [Method] Using traditional microbiological culture method, the bacteria community structure in tail water from sewage plants(Harbin Taiping Sewage Plant, Changzhou Chengbei Sewage Plant, Hainan Baishamen Sewage Plant) was analyzed. [Result] The results showed there was a significant reduction in the number of microorganisms in tail water from sewage plants after treatment, total number of bacteria in tail water from Changzhou Chengbei Sewage Plant was least of all; the similarity of bacteria community in Taiping Sewage Plant and Chengbei Sewage Plant was relative high, Bacillus and Acinetobacter were common dominant bacteria in three wastewater treatment plants. Hyphomicrobium and Pseudomonas with water purification ability were measured in tail water from Chengbei Sewage Plant. [Conclusion] The study results can provide theoretical reference for recycling and utilization of tail water from sewage plants.

Key wordsTail water from sewage plants; Microorganism; Community structure; Diversity

基金項(xiàng)目哈爾濱師范大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目；國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07301001-05)。

作者簡介魏京燾(1992- )，男，甘肅白銀人，本科生，專業(yè)：生物技術(shù)。*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事微生物學(xué)研究。

收稿日期2016-03-18

中圖分類號(hào)S 182;Q 93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)11-023-03