不同地区污水厂尾水中微生物群落结构多样性研究

魏京焘，龚 雪，李 雪，燕亚刚，李 瑶，赵俊茹，杨世君，王继华

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150025)

不同地区污水厂尾水中微生物群落结构多样性研究

魏京焘，龚 雪，李 雪，燕亚刚，李 瑶，赵俊茹，杨世君，王继华*

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150025)

摘要[目的]研究不同地区污水厂尾水中微生物群落结构多样性。[方法]利用传统微生物培养方法对城市污水厂(哈尔滨太平污水厂、常州城北污水厂、海南白沙门污水厂)尾水中的细菌群落结构进行分析。[结果]经过处理后污水厂尾水的微生物数量大幅度减少，其中城北污水厂尾水中细菌总数最少；太平污水厂与城北污水厂细菌种群的相似性较高，芽孢杆菌属(Bacillus)和不动杆菌属(Acinetobacter)是3个污水处理厂的共有菌属，城北污水厂尾水中检测出含有净化水质的生丝微菌属(Hyphomicrobium)和红假单胞菌属(Pseudomonas)。[结论]该研究结果可为污水厂尾水的回收利用提供理论参考。

关键词污水厂尾水；微生物；群落结构；多样性

污水再生利用是解决水资源短缺问题的有效途径，也是满足水资源可持续利用重大需求的有力保障[1]。微生物群落结构是微生物生态学和环境科学研究的热点，对于开发微生物资源、阐明微生物群落与其生活环境的关系、揭示群落结构与功能的联系、指导微生物群落功能的定向调控具有重要意义[2]。

城市污水经过二级处理后，水质明显改善，细菌含量大幅度减少，但细菌的绝对值仍很高，并可能存在病原菌，这就要求对污水进行消毒处理[3]。同时，经消毒处理后尾水的排放与人类的生活密切相关，如果排放不合理，可能对环境造成严重的危害。因此，对消毒后的尾水进行微生物多样性分析，可检测是否有病原菌的存在，实现水质资源化[4-5]。笔者以哈尔滨太平污水处理厂、常州城北污水处理厂和海南白沙门污水处理厂的尾水为研究对象，研究污水厂尾水中微生物群落结构组成及其多样性，旨在为污水厂尾水的回收利用提供理论参考。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1 水样采集。尾水水样分别从哈尔滨太平污水处理厂(TP)、常州城北污水处理厂(CB)和海南白沙门污水处理厂(BS)采集。

1.1.2药品及试剂。酵母膏、牛肉膏、蛋白胨、氯化钠、琼脂、葡萄糖、蔗糖、乳糖、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、硫酸亚铁、柠檬酸钠、硝酸钾、氢氧化钾、吲哚、淀粉等均购自哈尔滨鑫圣基科技开发有限公司。

1.1.3试验仪器。电子分析天平、可控温电炉、高压灭菌锅、无菌操作台、离心机、干燥箱、恒温培养箱、摇床、752 型分光光度计、光学显微镜、恒温水浴箱、冰箱等。

1.2试验方法运用传统微生物分离方法对水样的微生物进行分离与纯化，进行形态观察并记录，对纯化的细菌菌株进行生理生化试验，包括苯丙氨酸脱氢酶试验、接触酶(过氧化氢)试验、尿素试验、糖发酵(葡萄糖、蔗糖、淀粉)试验、甲基红(M.R.)试验、乙酰甲基甲醇(V.P)试验、淀粉水解试验、纤维素水解试验、吲哚试验、柠檬酸盐试验和硝酸盐试验，测试细菌对生物大分子，含C或含N化合物的利用情况[6]。根据经典的微生物分类方法，参照《伯杰细菌鉴定手册》(第8版)[7]、《微生物分类学》[8]依据微生物的形态学、生理学和生态学特征进行初步的分类，对菌种的形态学特征及生理生化特征进行鉴定。

1.3数据处理

(1)

微生物种群的多样性水平通过Shannon 多样性指数(H’)、Pielou均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(R)进行测度[9]，按照以下公式计算：

H’=-∑pilnpi(i=1，2…n)

(2)

J=H’/lnS

(3)

R=(S-1)/lnN

(4)

式中，pi是第i种微生物的个体数占总个体数的比例，可以用pi=Ni/N求出，Ni为第i种物种个体数，N为总个体数，S为每个样品中的物种总数。

使用Primer 5软件进行细菌群落结构的聚类分析。

2结果与分析

2.1不同污水厂尾水水样的细菌总数比较从图1可以看出，3个污水厂尾水样品中的细菌总数从大到小依次为TP、BS、CB。哈尔滨太平污水处理厂(TP)尾水的细菌总数最高，为6.2×104CFU/L。CB污水厂尾水的细菌总数相对较低，为4.2×104CFU/L。CB与TP之间差异显著(P<0.05)，而TP与BS之间、CB与BS之间细菌总数也呈现一定差异，但未达到显著水平(P>0.05)。细菌总数是评价水质的重要指标之一，水中的细菌总数通常与水体受污染程度呈正相关，但是某些有毒物质对细菌也存在抑制作用，CB污水处理厂尾水的细菌总数最少，推测CB污水厂相较于其他污水厂的尾水处理工艺更先进，更加符合污水的排放标准。

2.2不同污水厂尾水水样的细菌分离情况由表1可知，哈尔滨太平污水厂(TP)尾水中芽孢杆菌属和不动杆菌属的含量较多，分离频率分别为24.36%和22.22%，属于优势菌群；布兰汉氏球菌属含量较少，分离频率为0.43%，属于稀有菌属。该试验检出尾水含有气单胞菌属，而气单胞菌属具有一定的危害性，在污水的处理过程中须严格控制，并加以重视。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercases stand for significant difference (P<0.05).图1　不同尾水样品细菌总数的比较Fig.1　Comparison of bacteria amount in different tail water samples

由表2可知，常州城北污水厂(CB)尾水中不动杆菌属和芽孢杆菌属含量相对较高，属于优势菌群；德克斯氏菌属含量较少，属于稀有菌属。该试验并检出了生丝微菌属和红假单胞菌属，生丝微菌是一种能氧化铁和锰的细菌，常分布于淡水环境和输水管道中，在城市饮用水净化中起着重要作用[10]；红假单胞菌是一种光合细菌，具有净化水质的能力。

表1　TP污水处理厂尾水中细菌的分离情况

表2　CB污水处理厂尾水中细菌的分离情况

由表3可知，海南白沙门污水厂(BS)尾水中芽孢杆菌含量最高为31.1%，为优势菌属，而德克斯氏菌属含量较低，属于稀有菌属。通过对3个污水厂尾水中可培养细菌的分离、纯化及鉴定，发现芽孢杆菌属(Bacillus)和不动杆菌属(Acinetobacter)为以上3个污水处理厂的共有菌属，同时各污水厂细菌菌属也存在差异性，表现在稀有菌属的有无和共有菌属含量的差异上。

表3　BS污水处理厂尾水细菌的分离情况

2.3水样的微生物丰度及多样性分析通过Shannon多样性指数(H’)、Pielou均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(R)等指标分析3个污水厂尾水中微生物群落的多样性，多样性指数、均匀度指数和丰富度指数最高的均为哈尔滨太平污水厂(TP)，最低的均为海南白沙门污水处理厂(BS)(表4)。

表4不同污水厂尾水水样细菌种群的多样性指数比较

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

污水厂Sewagetreatmentplants多样性指数(H’)Diversityindex均匀度(J)Evennessindex丰富度(R)RichnessindexTP1.91560.92121.9244CB1.75380.90131.5417BS1.66390.85511.4029

2.4不同污水厂尾水水样中细菌种群的聚类分析从表5和图2可以看出，哈尔滨太平污水厂(TP)与常州城北污水厂(CB)的细菌种群相似性系数为0.800 0，哈尔滨太平污水厂(TP)与海南白沙门污水厂(BS)的细菌种群相似性系数为0.666 7，海南白沙门污水厂(TP)与常州城北污水厂(CB)的细菌种群相似性系数为0.714 3。根据Jaccard相似性系数原理，哈尔滨太平污水厂(TP)与常州城北污水厂(CB)的细菌种群为极相似，海南白沙门污水厂(BS)与哈尔滨太平污水厂(TP)、常州城北污水厂(CB)的细菌种群为中等相似。

表5　不同污水厂尾水水样中细菌种群的相似性系数Table 5　Similarity coefficient of bacterial population in different tail water samples from various sewage treatment plants

图2　不同污水厂尾水水样中细菌种群的聚类分析结果Fig.2　Clustering analysis result of bacterial population in different tail water samples from various sewage treatment plants

3结论

笔者利用传统的微生物培养方法对城市污水厂(哈尔滨太平污水厂、常州城北污水厂、海南白沙污水厂)尾水中的细菌群落结构进行了分析，得出以下结论：

(1)哈尔滨太平污水厂(TP)尾水的细菌总数最高，常州城北污水厂(CB)尾水的细菌总数最少，推测常州城北污水厂(CB)的尾水处理工艺更先进，更加符合污水的排放标准。

(2)对细菌的群落结构解析表明，不同尾水样品的细菌群落结构存在较大差异，芽孢杆菌属(Bacillus)和不动杆菌属(Acinetobacter)是以上3个污水处理厂的共有菌属，在常州城北污水厂(CB)尾水中检测出生丝微菌属和红假单胞菌属，对于提高水质和净化效果都有积极作用。

(3)3个污水处理厂尾水多样性指数、均匀度指数和丰富度指数最高的均为哈尔滨太平污水厂(TP)尾水中细菌群落，最低的均为海南白沙门污水处理厂(BS)尾水中细菌群落。

(4)聚类分析结果表明，哈尔滨太平污水厂(TP)与常州城北污水厂(CB)的细菌种群为极相似，海南白沙门污水厂(BS)与哈尔滨太平污水厂(TP)、常州城北污水厂(CB)的细菌种群为中等相似。

参考文献

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[3] 徐冬英，何哲波.城市污水回用及其可持续发展[J].中国城市经济，2012(2)：332-333.

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[10] 张锡辉，王爽，王慧，等.水厂处理工艺中的微生物群落结构特征研究[J].中国给水排水，2007，23(13)：36-40.

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

基金项目哈尔滨师范大学大学生实践创新基金研究项目；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07301001-05)。

作者简介魏京焘(1992- )，男，甘肃白银人，本科生，专业：生物技术。*通讯作者，教授，博士，硕士生导师，从事微生物学研究。

收稿日期2016-03-18

中图分类号S 182;Q 93

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)11-023-03