活性污泥中微生物群落多样性及其研究方法进展

2014-08-08余小玉

中国新技术新产品 2014年9期

余小玉

（广东环境保护工程职业学院，广东佛山 528216）

目前，基于活性污泥法的污水处理工艺在污水处理系统中得到了广泛应用。活性污泥法实质上是利用微生物新陈代谢降解有机污染物的生物处理技术，其处理效率以及出水水质主要取决于组成活性污泥的微生物种类、数量、特性等。因此，对进一步提高活性污泥法的处理效果、污泥减量化的机理等课题的深入研究都离不开对活性污泥中微生物群落多样性的研究。本文围绕活性污泥中微生物种群多样性展开讨论，并重点描述目前微生物多样性的研究方法。

1 活性污泥中主要微生物菌群及其特性

作为活性污泥法的核心部分，其主要成分为微生物群体以及吸附的污水中的有机和无机物质，是具有一定的活性和良好的净水功能的褐色絮状污泥。里面的微生物主要有细菌、真菌、原生动物和后生动物等。其中起主要净水作用的是细菌。经研究，里面细菌的优势菌群有假单胞菌属、螺菌属、丛毛单胞菌属、产碱杆菌属、短杆菌属、不动杆菌属、黄杆菌属和动胶杆菌属等。

2 微生物群落多样性及其研究方法

在活性污泥水处理工艺中，深入了解活性污泥微生物多样性，有助于提高污水处理系统的整体效果，降低处理成本。利用先进的检测手段，对活性污泥微生物多样性进行研究，已经成为当今研究的热点问题。本文将对几种成熟先进的微生物检测技术进行介绍。

2.1 Biolog方法

1989年，美国 BIOLOG公司成功开发了Biolog法，它是一种新型微生物鉴定方法。它的原理如下：在利用碳源过程中，微生物会产生自由电子。这些自由电子与四唑盐染料发生还原反应产生颜色。颜色越深，表明微生物对碳源的利用程度就越高。微生物的种类和固有性质不同，那么它们对不同碳源的利用能力就不一样。该技术摆脱传统微生物鉴定方法的局限性，能定性定量分析微生物群落结构差异。

2.2 流式细胞术（FCM）

流式细胞术是运用流式细胞仪，使细胞或微粒在液流中流动，逐个通过一束入射光束，并用高灵敏度检测器记录下散射光及各种荧光信号，对液流中的细胞或其他微粒进行快速测量。此技术具有方法灵活、测量速度快、采集数据量大、灵敏度高、特异性好、测量参数多等优点。局限性主要是需要制备单细胞悬液、需专业操作人员、标本需前处理以及设备昂贵等。

2.3 荧光原位杂交技术（FISH）

荧光原位杂交技术最早是由Gall和Pardue提出来的，自提出后，又先后经历了放射性标记探针和荧光标记探针两个阶段。该技术将细胞原位杂交技术和荧光技术有机结合，检测灵敏度高、安全便捷，而且能快速获得结果。一般的核酸抽提和PCR扩增会产生一定程度的偏差，而FISH却恰好可以避免此偏差，并且能同时检测几种微生物。

2.4 生物标记物法（Biomaker）

微生物的细胞均有其特有的脂肪酸、呼吸醌等环境样品信号，而生物标记物法（biomarker）即是利用此特点，能够在分类学上通过这类环境样品信号来表征微生物种类，从而区分、鉴定细菌的属、种甚至是株。生物标记法可以避免如形态观察等传统的监测方法带来的人为误差，它能够定性定量分析样品中的微生物群落差异。典型的生物标记物法包括脂肪酸图谱分析技术、醌类图谱分析技术等。

2.5 变性/温度地图凝胶电泳（DGGE/ TGGE）

变性/温度梯度凝胶电泳的原理如下：在电场中，在变性浓度差异或温度差异的条件下，微生物的双链DNA片断的裂解是不一样的， PCR产物中长度相同但序列不同的 DNA 标记片断（rRNA或rDNA）将被分离。经过显色反应后，得出DGGE/TGGE 指纹图谱。从理论上讲，该指纹图谱上的一个条带就代表一个微生物类群，一般能鉴别到属，有时候甚至到种。而指纹图谱上的条带数量的多寡以及条带的亮度代表着该种微生物的多寡，因此，指纹图谱不仅直观地反映了微生物种群结构的多样性，还可判断出优势菌或功能菌。笔者的《浅淡PCR－DGGE技术在剩余污泥减量机理研究中的应用》里有详细描述。

2.6 扩增rDNA限制性酶切片段分析法（ARDRA）

扩增rDNA限制性酶切片段分析法的技术原理是基于PCR技术选择性扩增rDNA片段（如16S rDNA、23S rDNA、16S-23SrDNA片段），再对扩增的rDNA片段进行RFLP。ARDRA技术一般都需要同其它的分子技术如DGGE、T-RFLP等相结合使用。

2.7 T-RFLP

末端限制性片段多态性T-RFLP法是由RFLP发展而来的，又称为16S rRNA 基因的末端限制性片段，是继DGGE/TGGE、SSCP、FISH 技术、克隆文库之后发展起来的，具有如下几个明显优势：1）结果可重复显现，因而利用该技术对样品中微生物的群落结构进行定性定量分析的结果也是可靠的；2）结果数据化，数据具体化，从而更加科学和准确；3）跟其他分析方法相比，更容易实现自动化监测，操作简捷，灵敏高效；4）样品的基因序列可构建数据库，可以推断系统发育的程度，更具有直接参考意义。综上所述，由于拥有这些无法比拟的优势，T-RFLP技术用来进行活性污泥中微生物群落多样性的研究也是可行的。