廢水生物處理新發(fā)展第1頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展以及向環(huán)境學(xué)科的不斷滲透，一門(mén)新的學(xué)科－－環(huán)境生物技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。環(huán)境生物技術(shù)生物技術(shù)在環(huán)境學(xué)科中的應(yīng)用，是現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境科學(xué)與工程緊密結(jié)合而形成的新興交叉學(xué)科。2001-12-8第2頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8生物技術(shù)基因工程基因工程菌分子生物學(xué)技術(shù)微生物及微生物群落分析酶工程酶的應(yīng)用發(fā)酵工程廢水處理產(chǎn)能、產(chǎn)電等，CH4、H2、MFC、乙醇等第3頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月酶在廢水處理中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，這是因?yàn)椋海?）難降解有機(jī)污染物的排放日益增多，使用傳統(tǒng)的化學(xué)和生物處理方法已很難達(dá)到令人滿意的去除效果，這就需要尋找比現(xiàn)行方法更快捷、更經(jīng)濟(jì)、更可靠、更簡(jiǎn)便的方法；（2）人們已逐漸認(rèn)識(shí)到酶能用來(lái)專門(mén)處理某些特定的污染物；（3）生物工程技術(shù)的發(fā)展使酶的生產(chǎn)成本降低。2001-12-8第4頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大多數(shù)廢水處理過(guò)程可分為物理化學(xué)過(guò)程和生物處理過(guò)程。酶的處理介于二者之間，因?yàn)樗鶇⑴c的化學(xué)反應(yīng)建立在生物催化劑的作用基礎(chǔ)上。將酶直接用于污染治理時(shí)，與傳統(tǒng)的生物方法相比，存在以下一些潛在的優(yōu)勢(shì)：酶具有高度選擇性，不易被有生物毒性的物質(zhì)所抑制；可以處理生物難降解的化合物；可以處理各種濃度污染物，尤其是低濃度有機(jī)污染物；可以在各種pH、溫度和鹽度環(huán)境下使用；不存在沖擊負(fù)荷效應(yīng)；不存在與生物生長(zhǎng)及其適應(yīng)相關(guān)的滯后效應(yīng)，所需HRT短；減少污泥產(chǎn)量（不產(chǎn)生污泥）；處理過(guò)程的控制簡(jiǎn)便易行。2001-12-8第5頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因此，酶處理方法是一種有前途的廢水處理技術(shù)。特別適用于低濃度、高毒性污染物的處理。利用基因工程和蛋白質(zhì)工程擴(kuò)展酶的代謝途徑，是治理難降解有毒有機(jī)污染物的主要方法。研究方向：酶的修飾、酶的固定化、酶反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)等。2001-12-8第6頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

酶：過(guò)氧化物酶（如辣根過(guò)氧化物酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶）；聚酚氧化酶（如漆酶）；蛋白酶淀粉酶脂酶廢水：含芳香族化合物的廢水（如石化廢水、印染廢水）；含睛（氰）廢水；食品加工廢水。Return2001-12-8第7頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因工程為改變細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵酶或酶系統(tǒng)提供了可能，從而可以：提高微生物的降解速率；拓寬底物的專一性范圍；維持低濃度下的代謝活性；形成降解有毒污染物的新型催化活性；改善微生物的其他生物學(xué)特性。2001-12-8第8頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要應(yīng)用：開(kāi)發(fā)脫氮除磷新工藝，增強(qiáng)脫氮除磷能力有毒有機(jī)污染物的降解重金屬和放射性廢水的處理2001-12-8第9頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月難降解有機(jī)污染物、毒性有機(jī)污染物、持久性有機(jī)污染物（POPs）、內(nèi)分泌干擾物等。共同特點(diǎn)：通常情況下（如活性污泥法），難以被生物降解。目前采用的方法：AOPs＋生物處理將來(lái)可能的方法：生物技術(shù)＋化工技術(shù)微生物基因改造；增加代謝途徑微生物所處微環(huán)境的改造：固定化（人工包埋、生物膜），新型反應(yīng)器的構(gòu)建：改變微生物的微環(huán)境、抵抗污染物的毒性、提高在處理系統(tǒng)的持留能力等。2001-12-8

Return第10頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8廢水處理目標(biāo)傳統(tǒng)方法去除污染物好氧（CO2）厭氧（CH4）將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成有價(jià)值的物質(zhì)和能量載體：如甲烷、乙醇、氫氣、電等。處理水回用回用資源化能源化第11頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月廢水中的能量回收：將廢水有機(jī)污染物中或剩余污泥中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化成甲烷、乙醇、氫氣、電等形式的能量。產(chǎn)甲烷：較為成熟產(chǎn)乙醇：研究較少產(chǎn)氫氣：提高氫的產(chǎn)率，產(chǎn)電：MFC（微生物學(xué)、電化學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)）。2001-12-8

Return第12頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8極端環(huán)境微生物嗜冷微生物寒冷地區(qū)的廢水處理飲用水處理嗜鹽微生物耐輻射微生物含鹽廢水處理放射性廢水處理貧營(yíng)養(yǎng)微生物第13頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基于現(xiàn)代生物學(xué)的分子方法，為深入研究廢水生物處理過(guò)程中各種微生物的作用，為深刻理解廢水處理過(guò)程的本質(zhì)、提高處理系統(tǒng)的性能以及進(jìn)行工藝革新等提供了新的強(qiáng)有力的方法和手段，為我們了解這些處理系統(tǒng)中的微生物生態(tài)并對(duì)處理過(guò)程進(jìn)行工程控制提供了可能。分子生物學(xué)方法的出現(xiàn)使我們有可能更好的理解現(xiàn)有的生物處理工藝以及開(kāi)發(fā)新的處理工藝。2001-12-8第14頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與建立在某些表型特性基礎(chǔ)上的細(xì)胞富集培養(yǎng)方法不同，分子方法直接針對(duì)微生物群落的基因信息，分子技術(shù)測(cè)定的是細(xì)胞DNA或RNA的堿基序列。

分子方法以不同類型的DNA或RNA為目標(biāo)，這取決于我們需要哪種信息。表1總結(jié)了檢測(cè)目標(biāo)以及每個(gè)目標(biāo)能夠提供的信息。2001-12-8分子方法探詢的基因目標(biāo)第15頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8目標(biāo)獲得的信息核糖體（r）RNA系統(tǒng)發(fā)育身份，它們是什么？DNA上編碼rRNA的基因系統(tǒng)發(fā)育身份，它們是什么？DNA上的其他基因表型潛力，它們能夠做什么？信使（m）RNA表型活性，它們正在做什么？蛋白質(zhì)或其他報(bào)告產(chǎn)物表型活性或發(fā)育系統(tǒng)身份，它們是什么？或它們正在做什么？表1分子生物學(xué)方法探詢的目標(biāo)

第16頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8為了確定群落中的微生物在系統(tǒng)發(fā)育上的身份，以rRNA（通常是16SrRNA）或用于編碼rRNA的基因?yàn)榉肿訖z測(cè)的目標(biāo)。表型潛力，如對(duì)某種特殊基質(zhì)的降解能力，可以通過(guò)在DNA上尋找相關(guān)基因來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。已經(jīng)得到表達(dá)的表型潛力可以通過(guò)檢測(cè)mRNA或蛋白質(zhì)產(chǎn)物（如酶）來(lái)證明。根據(jù)我們的研究需要，可以利用適當(dāng)?shù)姆肿臃椒▉?lái)探詢表1給出的基因目標(biāo)，從這些基因分析中我們可以得到所需的信息?；蛱皆兊哪繕?biāo)如圖1所示。圖1總結(jié)了微生物細(xì)胞如何將DNA中的遺傳密碼轉(zhuǎn)錄和翻譯成蛋白質(zhì)分子的機(jī)制。第17頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8復(fù)制基因轉(zhuǎn)錄信使RNA蛋白質(zhì)產(chǎn)物翻譯氨基酸—轉(zhuǎn)運(yùn)RNA微生物細(xì)胞內(nèi)的信息流動(dòng)示意圖DNA,mRNA,rRNA和蛋白質(zhì)產(chǎn)物均可以作為分子方法探詢的基因目標(biāo)。

第18頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核糖體RNA（rRNA）是目前用于構(gòu)建生物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)比較可靠的基因目標(biāo)，可以為我們提供微生物群落中某一特定微生物豐度方面的信息。目前人們最常用的基因目標(biāo)是rRNA，這是基于以下原因。2001-12-8第19頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8（1）生物細(xì)胞需要rRNA將遺傳信息翻譯成蛋白質(zhì)，因此，rRNA存在于所有的生物細(xì)胞中；（2）生物細(xì)胞內(nèi)含有大量的核糖體，因此，rRNA相對(duì)來(lái)說(shuō)容易檢測(cè)到；（3）由于rRNA被包埋于核糖體中，因而相對(duì)較為穩(wěn)定；（4）細(xì)菌和古細(xì)菌的小亞單位rRNA，即通常所說(shuō)的16SrRNA，大約含1600個(gè)堿基對(duì)，這1600個(gè)堿基對(duì)可以提供足夠的進(jìn)化信息，從中選擇15-20個(gè)堿基對(duì)序列的寡核苷酸片段用作探針，可以檢測(cè)和鑒定多種微生物；（5）從環(huán)境樣品中分離出rRNA并用于微生物系統(tǒng)發(fā)育、種類鑒定、多態(tài)性及多樣性研究的方法已經(jīng)全面建立。利用rRNA序列研究微生物群落特征的方法總結(jié)如圖2。

第20頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8利用rRNA序列研究微生物群落特征的方法

第21頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8分子信息及其應(yīng)用

微生物細(xì)胞擁有一個(gè)復(fù)雜的信息流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并用來(lái)決定其類型和控制其行為。這些信息在DNA中編碼。DNA編碼的基因并不實(shí)際承擔(dān)任何細(xì)胞工作，如能量產(chǎn)生或合成。相反，它們通過(guò)精確的、多步驟機(jī)制解碼DNA上的信息，并最終生成各種工作分子，如催化細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)需要的酶。

第22頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前常用的分子方法有:核酸分子雜交變性梯度凝膠電泳限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性2001-12-8常用的分子生物學(xué)方法第23頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月探針是能與特定核苷酸序列發(fā)生特異性結(jié)合的己知堿基序列的核酸片段。它可以是長(zhǎng)探針（100-1000bp），也可以是短核苷酸片段（10-50bp）；可以是從RNA制備的cDNA探針，也可以是PCR產(chǎn)物或人工合成的寡核苷酸探針。探針既可用放射性核苷酸標(biāo)記，也可用非放射性分子標(biāo)記。核酸分子雜交的高度特異性以及檢測(cè)方法的高度靈敏性，使核酸分子雜交技術(shù)廣泛應(yīng)用于檢測(cè)環(huán)境中的微生物，并對(duì)它們的存在、分布、豐度和適應(yīng)性等進(jìn)行定性和定量分析。

2001-12-8第24頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核酸雜交的主要步驟是核酸分子的變性和選擇性退火。雙鏈DNA或處于二級(jí)結(jié)構(gòu)的RNA分子通過(guò)變性回復(fù)到它們?cè)瓉?lái)的單鏈、線性形式，從而使它們處于能與互補(bǔ)的核苷酸鏈退火雜交的狀態(tài)。核酸雜交以堿基配對(duì)原理為基礎(chǔ)，利用寡核苷酸探針與靶細(xì)胞專一性結(jié)合進(jìn)行生物分析。核酸雜交的基本實(shí)驗(yàn)步驟為：細(xì)胞固定、雜交（專一性和嚴(yán)格性依賴于雜交溫度和時(shí)間、鹽濃度、探針長(zhǎng)度及其濃度）、洗脫（去除與靶細(xì)胞沒(méi)有結(jié)合和非專一性結(jié)合的物質(zhì)）和檢測(cè)，如下圖所示。2001-12-8第25頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8標(biāo)記探針的原理磷酸標(biāo)記的探針變性、轉(zhuǎn)膜3’5’5’3’加入標(biāo)記探針、雜交3’5’3’5’放射自顯影5’3’3’5’3’探針探針***5’3’***3’5’第26頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8核酸雜交的步驟

第27頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8核酸雜交試驗(yàn)并不要求探針與目標(biāo)核酸序列之間百分之百地互補(bǔ)。有限數(shù)目的非互補(bǔ)堿基對(duì)的存在是可以接受的?；パa(bǔ)的單鏈核苷酸分子經(jīng)退火形成核酸雙鏈分子的過(guò)程是可逆的。因此，可以通過(guò)改變反應(yīng)的物理和化學(xué)環(huán)境（條件）從而增加核酸雙鏈分子生成的速度、程度及其穩(wěn)定性。影響兩段互補(bǔ)核苷酸鏈雜交的因素包括：雜交和洗膜的溫度、雜交時(shí)間、離子強(qiáng)度、甲酰胺濃度、堿基對(duì)之間非互補(bǔ)的程度以及探針?lè)肿雍桶泻怂嵝蛄械拈L(zhǎng)度、復(fù)雜性和濃度等。

第28頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

核酸雜交技術(shù)研究環(huán)境微生物具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）核酸可以直接從樣品中提取，不必對(duì)微生物進(jìn)行培養(yǎng)；（2）不管基因表達(dá)與否，都可以檢測(cè)到特定的基因或核酸序列，從而能準(zhǔn)確地跟蹤、監(jiān)測(cè)特定的微生物種群；（3）利用同一樣品可以同時(shí)檢測(cè)到眾多不同的微生物類群；（4）可以直接檢測(cè)到特定的核酸序列。

2001-12-8第29頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第30頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

核酸雜交技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境微生物研究的一個(gè)重要局限就是它要比傳統(tǒng)的方法復(fù)雜得多。（1）從各種環(huán)境樣品中提取核酸本身就包含眾多繁冗的抽提和純化操作，因此也是最復(fù)雜的步驟之一；（2）從富含能干擾核酸檢測(cè)的污染物的樣品（如土壤）中回收核酸，仍有待用一些特殊的技巧對(duì)現(xiàn)行的有關(guān)方法加以改善；（3）對(duì)任何一個(gè)自然微生物群落的研究常常需要對(duì)其多個(gè)平行樣品進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)；（4）從水樣等樣品中檢測(cè)以很低豐度存在的、或在整個(gè)微生物群落中僅占很小比例的微生物類群，核酸雜交技術(shù)的靈敏度尚需大幅度提高。2001-12-8第31頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核酸雜交技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是只有對(duì)已被分離并已測(cè)序的微生物才能夠放心使用。微生物生態(tài)學(xué)家估計(jì)，到目前為止，在自然界中只有少數(shù)微生物能夠被分離、培養(yǎng)。此外，被分離的微生物也可能并不能很好地代表自然環(huán)境中最重要的微生物。無(wú)論微生物是否已被分離或已完成測(cè)序，具有能提供微生物群落多樣性指紋信息的分子技術(shù)是非常有用的。2001-12-8第32頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8變性梯度凝膠電泳法（DGGE）是一種使用日益廣泛的方法。在DGGE方法中，DNA在含聚丙烯酰胺凝膠電泳池的一端。電泳池兩端的電極形成一個(gè)電場(chǎng)，帶負(fù)電的DNA向正極運(yùn)動(dòng)。DNA分子的移動(dòng)速率取決于其分子大小與帶電量之間的比值，因此，不同的DNA分子運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)電極之間的不同位置上停下，從而形成具有指紋作用的DNA帶。將DNA帶從凝膠中分離出來(lái)，可以進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)增及測(cè)序。

變性梯度凝膠電泳法（DGGE）第33頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第34頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RFLP）分析是另一種指紋分析方法。該法利用限制性內(nèi)切核酸酶將被擴(kuò)增的DNA切成片段，限制性酶對(duì)DNA的剪切能避開(kāi)靶基因區(qū)。靶基因周?chē)膫?cè)翼區(qū)中具有不同數(shù)目的酶切位點(diǎn)。因此，限制性酶切后得到的DNA片段的大小不同，能夠通過(guò)電泳分離。

2001-12-8限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RFLP）第35頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月報(bào)告基因法為評(píng)價(jià)已表達(dá)的表型潛力提供了另一條途徑。在報(bào)告基因法中，利用重組技術(shù)將報(bào)告基因插入DNA分子上的目標(biāo)區(qū)域。當(dāng)DNA序列被轉(zhuǎn)錄時(shí)，報(bào)告基因也同時(shí)被轉(zhuǎn)錄。來(lái)自報(bào)告基因的mRNA被翻譯成能催化某些易于檢測(cè)的反應(yīng)的酶。發(fā)光是最常見(jiàn)的報(bào)告基因效應(yīng)，其中綠色熒光蛋白（GFP）最為常用。只有當(dāng)完整序列被轉(zhuǎn)錄時(shí)才能觀察到報(bào)告基因效應(yīng)，因此，報(bào)告基因的表達(dá)意味著目標(biāo)基因的表達(dá)。報(bào)告基因法可以對(duì)已表達(dá)的表型進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定，其應(yīng)用前景十分可觀。2001-12-8報(bào)告基因法第36頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

綠色熒光蛋白作為新一代的基因轉(zhuǎn)移報(bào)告物或定位標(biāo)記物，在環(huán)境微生物研究中越來(lái)越受到關(guān)注，GFP的優(yōu)點(diǎn)：（1）不需加任何底物，經(jīng)激發(fā)后即可產(chǎn)生熒光，且熒光性質(zhì)穩(wěn)定；（2）相對(duì)分子質(zhì)量小，對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性；（3）檢測(cè)方便，可對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)定位觀察；（4）已有多種GFP突變蛋白，熒光特性得到明顯改善。2001-12-8第37頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第38頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第39頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月活性污泥中微生物多樣性研究絲狀細(xì)菌的研究脫氮微生物的研究除磷微生物的研究2001-12-8

分子方法的應(yīng)用第40頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自1995年以來(lái)，基于16SrRNA基因庫(kù)分析，人們對(duì)活性污泥和生物膜處理系統(tǒng)中微生物多樣性進(jìn)行了較廣泛的研究。大量的16SrRNA基因序列研究表明，這些處理系統(tǒng)中最常出現(xiàn)的微生物主要有

-、

-和

-Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria。這些發(fā)現(xiàn)與利用熒光原位雜交（FISH）研究活性污泥系統(tǒng)得出的結(jié)果一致。利用16SrRNA數(shù)據(jù)庫(kù)還可以預(yù)測(cè)在所分析的系統(tǒng)中存在的細(xì)菌種屬。2001-12-8活性污泥中微生物多樣性的研究

第41頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一些復(fù)雜系統(tǒng)中實(shí)際的微生物種群組成不能夠僅僅根據(jù)16SrRNA基因庫(kù)來(lái)推測(cè)，而必須根據(jù)定量FISH分析結(jié)果來(lái)確定。定量FISH方法還很少用于研究實(shí)際廢水處理廠中微生物的種群結(jié)構(gòu)，這可能是由于對(duì)不同探針標(biāo)記的微生物在顯微鏡下進(jìn)行計(jì)數(shù)非常費(fèi)事，且技術(shù)上也有一些困難。半自動(dòng)數(shù)字圖像分析方法極大地加快了定量FISH的分析速度，并且使微生物學(xué)家第一次得到了活性污泥中微生物種群組成的高清晰度的、完整的圖像。2001-12-8第42頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在活性污泥中存在一定數(shù)量的絲狀菌對(duì)于污泥絮體的形成是重要的，但是，出現(xiàn)大量的絲狀菌對(duì)于廢水處理則是有害的，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致在污泥中形成泡沫、或者使二沉池中活性污泥的沉降性變差（引起污泥膨脹）。許多絲狀細(xì)菌難于培養(yǎng)，因此，人們對(duì)于絲狀菌了解不多，目前僅有一些在顯微鏡下可以觀察到的特征。據(jù)報(bào)道，人們?cè)谔幚砩钗鬯奶幚韽S觀察到了30多種不同形態(tài)特征的絲狀菌，在處理工業(yè)廢水的活性污泥廠又觀察到了約40多種其他形態(tài)特征的絲狀菌。

2001-12-8第43頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月利用透射電子顯微鏡（TEM）和定量FISH技術(shù)可以研究活性污泥中的絲狀菌。利用顯微操作技術(shù)富集和分離絲狀微生物，然后進(jìn)行16SrRNA基因序列分析。研究結(jié)果清楚地表明，一些分類學(xué)上相距較遠(yuǎn)的細(xì)菌，通常具有在光學(xué)顯微鏡下難于分辨的相同形態(tài)特征。因此，對(duì)絲狀菌根據(jù)其形態(tài)特征進(jìn)行分類提出了強(qiáng)烈的置疑。在活性污泥中，有些絲狀菌可以呈現(xiàn)出非絲狀菌的生長(zhǎng)形式。因此，僅僅根據(jù)形態(tài)特征進(jìn)行鑒定有時(shí)是不可靠的。2001-12-8第44頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基于絲狀菌的16SrRNA基因序列，人們開(kāi)發(fā)出了一套用于直接鑒定活性污泥中絲狀菌的定向于rRNA的寡核苷酸探針。利用寡核苷酸探針和抗體染色技術(shù)，可以定量地研究活性污泥中絲狀菌與污泥形成泡沫的關(guān)系。

2001-12-8第45頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第46頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第47頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第48頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氨氮是生活污水中主要的含氮化合物（尿素極易水解形成氨），在污水處理廠中通過(guò)微生物的硝化和反硝化作用去除。盡管在教科書(shū)中仍然認(rèn)為，Nitrosomonaseuropaea和Nitrobacterspp.是主要的氨氧化細(xì)菌和亞硝酸氧化細(xì)菌，但是，實(shí)際情況要復(fù)雜得多。

2001-12-8脫氮微生物的研究

第49頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月NH4+氧化為NO2-的過(guò)程需要經(jīng)過(guò)2個(gè)步驟：

2H++NH4++2e-+O2NH2OH+H2O+2H+NH2OH+H2OHONO+4e-+4H+上述2個(gè)反應(yīng)分別由氨單氧合酶（ammoniamonooxygenase，AMO）和羥胺氧化還原酶（hydroxylamineoxidoreductase，HAO）催化，其中AMO催化NH3氧化為NH2OH的反應(yīng)，HAO催化NH2OH氧化為NO2-的反應(yīng)（見(jiàn)圖）。在細(xì)胞內(nèi)（invivo）和細(xì)胞外（invitro）進(jìn)行的一系列研究，使我們獲得了關(guān)于AMO和HAO的結(jié)構(gòu)與活性方面的大量信息。2001-12-8第50頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8氨氧化途徑及其相關(guān)基因

第51頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AMO除可以氧化NH3以外，還可以氧化一系列的底物，將C-H鍵氧化成醇，將C=C鍵氧化成環(huán)氧化合物。反應(yīng)底物包括烷烴、芳烴、鹵代烴等。這為生物修復(fù)受氯代烴污染的環(huán)境提供了一種新的途徑。2001-12-8第52頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8Nitrosomonas細(xì)胞內(nèi)由AMO催化的幾種反應(yīng)

第53頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8MAR-FISH技術(shù)分析活性污泥中被標(biāo)記為紅色的Nitrospira-類亞硝酸氧化菌的照片第54頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8第55頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月許多水域發(fā)生的水體富營(yíng)養(yǎng)化使人們對(duì)硝化過(guò)程的研究越來(lái)越深入，氨氧化反應(yīng)是硝化過(guò)程的關(guān)鍵步驟?，F(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)為氨氧化細(xì)菌的研究提供了有力的工具，人們對(duì)氨氧化微生物的生物化學(xué)和分子生物學(xué)特性有了較為深入的研究，弄清了氨氧化過(guò)程涉及的關(guān)鍵酶及其基因，并且可以對(duì)某些氨氧化細(xì)菌進(jìn)行基因操作，為控制廢水生物脫氮工藝以及富營(yíng)養(yǎng)化水體的生物修復(fù)提供了新信息。

2001-12-8第56頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物強(qiáng)化除磷（enhancedbiologicalphosphorousremoval，EBPR）工藝在廢水處理廠得到了廣泛應(yīng)用，但工藝運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)故障。分子生物學(xué)研究表明，以前人們認(rèn)為的傳統(tǒng)的除磷微生物，Acinetobacter，在EBPR工藝中并不起除磷作用。然而，直到最近，人們才在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器中鑒定出聚磷菌（phosphate-accumulatingorganisms，PAOs）是與Rhodocyclus有關(guān)的

-Proteobacteria。2001-12-8第57頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基于克隆基因庫(kù)，根據(jù)與Rhodocyclus有關(guān)的16SrDNA序列，設(shè)計(jì)出了專一性的分子探針，用于除磷微生物的研究。通過(guò)比較探針標(biāo)記的細(xì)胞數(shù)目和含聚磷酸鹽的細(xì)胞數(shù)目，可以發(fā)現(xiàn)，在EBPR除磷工藝中，Microlunatusphosphovorus占整個(gè)含聚磷酸鹽的細(xì)胞數(shù)目的1/3?；趶某谆钚晕勰鄻悠返?6SrDNA克隆基因庫(kù)構(gòu)建專一性探針，結(jié)合細(xì)胞內(nèi)聚磷酸鹽顆粒的特殊染色技術(shù)，人們可以利用顯微鏡對(duì)除磷微生物進(jìn)行原位觀察和鑒定。2001-12-8第58頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2001-12-8FISH技術(shù)分析活性污泥中被標(biāo)記為黃色的類Rhodocyclus的聚磷菌白圈表