CASS反应器中反硝化除磷污泥的微生物群落结构

王峥嵘 李建民 薛念涛 董志英

摘要 为深入了解CASS系统内的反硝化除磷污泥微生物群落结构，对反应器内初始接种污泥和驯化成功的污泥进行高通量测序分析，测序结果显示CASS系统反硝化除磷污泥中富集了一定比例的、具有脱氮除磷能力的菌群，优势菌群主要有变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes）。目水平上鞘脂杆菌目（Sphingobacteriales）和红环菌目（Rhodocyclales）丰度增长较大，科水平上红环菌科（Rhodocyclaceae）的丰度增长最大，可能包含具有反硝化功能的菌群。此分析结果也显示出CASS系统具有一定的脱氮除磷功能。

关键词 反硝化除磷污泥;CASS反应器;高通量测序;微生物菌群

中图分类号 X703.1文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）14-0071-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.023

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Microbial Community Structure of Denitrifying Phosphorus Removal Sludge in CASS Reactor

Abstract To further understand the microbial community structure of denitrifying phosphorus removal sludge in CASS system，high throughput sequencing analysis was carried out for initial inoculation sludge and domesticated sludge.The results of high throughput sequencing showed that a certain proportion of bacteria with nitrogen and phosphorus removal ability were enriched in the sludge of denitrifying phosphorus removal in CASS system，and the dominant bacteria were mainly Proteobacteria，Chloroflexi and Bacteroidetes.Sphingobacteriales and Rhodocyclales increased the more abundances at the order level，Rhodocyclaceae increased the most abundances at the family level，possibly including denitrifying bacteria.The results also showed that the CASS system had a certain function of nitrogen and phosphorus removal.

Key words Denitrifying phosphorus removal sludge;CASS reactor;High throughput sequencing;Microbiology community

作者简介 王峥嵘（1994—），女，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向：水污染控制。*通信作者，研究员，硕士生导师，从事水污染控制研究。

收稿日期 2019-03-04

污水处理系统中，微生物群落多样性与系統稳定性成正比，丰富的微生物种群有利于抵抗冲击负荷和维护系统稳定运行。少数优势菌群主导的微生物群落可能稳定性不足，但富含重要的功能菌群。吕小梅[1]对反硝化除磷污泥与传统好氧除磷污泥的菌群结构与主导除磷微生物的差异性进行比较，认为好氧除磷污泥多样性高于反硝化除磷污泥，2种污泥的核心功能菌群不同，在驯化过程中，好氧除磷污泥菌群结构仅有微小波动，而反硝化除磷污泥的菌群结构发生了明显变化，也有其他研究得到了一致的结论[2]。周康群等[3]采用SBR富集反硝化聚磷菌，发现DNPAOs浓度增加为原来的57倍，富集后菌种种类减少且更加集中，主要为假单胞菌属、棒状杆菌属、肠杆菌科和葡萄球菌属。

生物分类基本单元为界、门、纲、目、科、属、种，种为基本单元，微生物分类学可以用于初步判断不同菌群的生物功能特征。对反硝化除磷污泥在门水平上的生物学研究较多，发现变形菌门（Proteobacteria）为反硝化除磷污泥主导菌群，对氮磷去除起着重要作用，驯化过程中下属纲水平上α-、β-、δ-Proteobacteria有明显变化[4]。目、属水平更深入体现微生物群落结构差异，Acinetobacter是最早被鉴定为具有除磷作用的微生物[5]，在强化生物除磷系统除磷效果较好的稳定期内大量存在[6]，但吴昌永等[7]发现在A2O工艺反硝化除磷强化的过程中，Acinetobacter逐渐消失，认为Acinetobacter在反硝化除磷工艺中不占优势。A/A反应器运行稳定期Xanthomonadales、Rhodocyclales、Burkholderiales为主导菌，Methylibium、Thauera为主导菌属，系统中优势菌群的变化也引起了系统功能的改变[8]。

目前很多报道的反硝化除磷菌属都基于实验室平板纯培养分离的方式得到的结果，不能反映实际工艺中的微生物群落组成。该研究采用CASS工艺富集培养反硝化聚磷菌，反应器显示出了良好的反硝化脱氮效果，出水COD、TP、TN、氨氮平均去除率超过90%，反硝化聚磷菌群成为系统优势菌群[9]。为深入了解反硝化除磷污泥微生物群落结构多样性的变化，探究DNPAOs主导菌群特点及功能，采用Illumina MiSeq高通量测序技术，以CASS富集培养反硝化聚磷菌前后活性污泥为对象，对反硝化聚磷菌群落组成进行微生物多样性和分类学分析，以期进一步探索反硝化除磷污泥的微生物群落结构，为反硝化除磷技术的实际推广应用提供理论支持。

为考察在脱氮除磷方面发挥主要作用的菌群组成，对2个样品中丰度最大的菌群变形菌门在纲分类水平的分布特征进行进一步的分析，结果见表4。结果显示，β-变形菌纲（βProteobacteria）的丰度在2个样品中占比最大，分别为13.99%和19.83%。β-Proteobacteria菌群在脱氮除磷方面有着重要贡献，吴昌永等[7]富集到了一种属于βProteobacteria的新功能菌群Uncultured Chlorobibacterium;Ahn等[14]研究了DNPAOs的生物组成，SBR反应器中常见2种细菌Rhodoyclus和Dechlorimonas，属于βProteobacteria。有2种菌种都属于βProteobacteria，该菌群比例的提高证明了CASS系统对脱氮除磷菌群的富集能力。对比2个样品，δ-变形菌纲（δProteobacteria）和γ-变形菌纲（γProteobacteria）的丰度均增加数倍，γProteobacteria可能包含具有反硝化脱氮能力以及除磷能力的菌群[15-16]，还未见有关于δ-变形菌纲（δProteobacteria）具有反硝化除磷性能的报道。

如图5所示，在目分类水平上，1号样品的主要菌群为红色杆菌目（Rubrobacterales）、酸微菌目（Acidimicrobiales） 、芽单胞菌目（Gemmatimonadales）、红螺菌目（Rhodospirillales）、伯克霍爾德氏菌目（Burkholderiales）和JG30-KF-CM45，2号样品的主要菌群有鞘脂杆菌目（Sphingobacteriales）、红环菌目（Rhodocyclales）、酸微菌目（Acidimicrobiales）、克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）、黄色单胞菌目（Xanthomonadales）和粘球菌目（Myxococcales）。对比2个样品菌群的变化情况发现，鞘脂杆菌目（Sphingobacteriales）的丰度由2.62%上升至10.97%，红环菌目（Rhodocyclales）由不到1.00%上升至9.65%，可能包含具有反硝化功能的菌群[17-18]。此外，Bond等[19]研究表明，红环菌目（Rhodocyclales）相关微生物是生物除磷系统的优势聚磷菌。因此，从目的水平上微生物种群分析来看，CASS系统富集了具有脱氮除磷能力的物种，可能是反硝化聚磷菌。

在科分类水平上，1号污泥样品和2号污泥样品中微生物群落组成如图6所示。其中，1号样品主要包含Norank_O_JG30-KF-CM45、Elev-16S-1332、芽单胞菌科（Gemmatimonadaceae）、丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）和酸微菌科（Acidimicrobiales），2号样品主要包含红环菌科（Rhodocyclaceae）、腐螺旋菌科（Saprospiraceae）和丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）。Fahrbach等[20]从城市污水处理厂的活性污泥中分离得到一株革兰氏阴性反硝化细菌Denitratisoma，是红环菌科的一个新属，具有好氧反硝化能力。对比样品1和样品2的菌群丰度变化，红环菌科（Rhodocyclaceae）的丰度增长较大。红环菌科（Rhodocyclaceae）是除磷系统的主要构成菌群，并且可能具有反硝化功能，红环菌可能含有反硝化聚磷菌。

3 结论

与初始接种污泥相比，CASS系统中反硝化除磷污泥中富集了一定比例的具有脱氮除磷能力的菌群，优势菌群主要有变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes），其中β-变形菌纲（β-Proteobacteria）的丰度占比较大。放线菌门相较初始接种污泥降幅明显，证明了CASS有助于减少污泥膨胀的优势。

鞘脂杆菌目（Sphingobacteriales）和红环菌目（Rhodocyclales）丰度增长较大，可能包含具有反硝化功能的菌群。其中红环菌科（Rhodocyclaceae）是除磷系统的主要构成菌群，并且可能具有反硝化功能，可推断红环菌含有反硝化聚磷菌。

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