氨氧化古菌的富集及其在污水土地处理系统中的特性

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1、氨氧化古菌的富集及其在污水土地处理系统中的特性(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：丁鵾指导教师：文湘华教授二○一五年六月EnrichmentofAmmoniaOxidizingArchaeaandTheirFunctioninWastewaterLandTreatmentSystemDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctoro

2、fPhilosophyinEnvironmentalScienceandEngineeringbyDingKunDissertationSupervisor:ProfessorWenXianghuaJune,2015摘要摘要长期以来，氨氧化细菌（Ammoniaoxidizingbacteria，简称AOB）被认为是污水处理系统中主要的氨氧化微生物。近年来，研究者在一些环境（包括低溶解氧）中发现了氨氧化古菌（Ammoniaoxidizingarchaea，简称AOA），并确认了其氨氧化功能，预示了其在污水处理系统中应用

3、的可能性。由于AOA的发现历史较短，对其认识尚十分有限。为此，本文系统研究了AOA的分布条件、富集及其在污水土地处理系统中的特性。目的是深入认识其特性，为其应用奠定基础。采用聚合酶链式反应（PolymeraseChainReaction，简称PCR）、克隆文库及定量PCR等分子生物学方法，分析了7个高原农业土壤样品中AOA的丰度分布、群落结构及其生长条件。发现AOA在氨氧化微生物丰度中占据绝对优势，土壤的总氮和有机碳等性质影响AOA群落优势菌株的分布。采用高通量测序技术，分析了16个污水生物处理系统中的微生物群落结构

4、，发现AOA所属泉古菌门占全体微生物的比例为0.01-1.09%；进水类型与水质是影响AOA群落结构的主要因素；此外，较低的溶解氧和较高的盐度有利于AOA生长。分别从土壤和污水处理系统中，富集得到同1种尚未报道的AOA新菌株，命名为SAT1，确定其在系统发育学上属于古菌groupI.1a。菌株SAT1细胞呈现不规-1则球状，直径约为0.5-0.9μm，最大比生长速率为0.021h，最大比氨氧化速率为-1-10.13fmolNcellh。基于全基因组分析，首次在groupI.1a的AOA菌株中发现完整的糖异生/糖酵解途

5、径；发现菌株SAT1可水解尿素用于生长，且对诸如高盐度、高温和氧化性损伤等环境压力可能具有潜在的抵抗力。构建了两套土地处理系统。在约560d的运行期内，系统对高、低等两种污染负荷污水的处理效果良好。基于定量PCR和高通量测序数据，确定系统中所有古菌均可能为AOA，且AOA数量上占据氨氧化微生物优势，并长期保持稳定。基于移动窗口分析发现，AOA群落的动态变化率属轻度水平变化，表明AOA群落结构稳定，保证了系统基本功能的发挥；AOB群落的动态变化率属高度水平变化，表明AOB群落结构不稳定，容易受系统运行条件的影响。基于微

6、生物比氨氮负荷率及自养氨氧化数学模型，结合土壤微宇宙试验和DNA-SIP试验，进一步确定了系统中的AOA具有自养氨氧化功能，也可能存在异养代谢途径。关键词：氨氧化古菌；氨氧化细菌；污水处理系统；富集；高通量测序IAbstractAbstractForoveracentury,ammoniaoxidizingbacteria(AOB)havebeenconsideredthekeytoammoniaoxidationinwastewatertreatmentsystems.Recently,insomeextremee

7、nvironments,includinglowdissolvedoxygenenvironments,ammoniaoxidizingarchaea(AOA)havebeendiscoveredandconfirmedtobecapableofoxidizingammoniatonitrite,whichrendersthepotentialforapplicationofAOAinwastewatertreatmentsystems.AsthehistoryofAOAdiscoveryisshort,thekno

8、wledgeaboutAOAisstilllimited.Therefore,inthisstudy,theoccurrenceandenrichmentofAOA,andtheirfunctioninwastewaterlandtreatmentsystemwerestudied,inordertounderstandtheircharact