基于基因芯片Geochip 3.0及454测序的城市污水处理厂微生物群落结构与功能基因研究

全面认识污水处理系统中微生物的群落结构及功能，对于污水处理系统的设计及稳定运行具有重要的指导作用，同时对于丰富微生物生态学原理具有重要作用。经典的分子生物学方法很难全面获得微生物群落结构的信息，而新一代的高通量测序及基因芯片技术则可以提供更加全面准确的微生物群落信息。本研究运用454测序及基因芯片等新一代分子生物学方法，开展城市污水处理厂中微生物群落结构及功能基因的研究；建立具有存储、分类、比对、查询、分析等功能的城市污水处理厂微生物群落信息的数据库；识别影响微生物群落结构及功能基因的环境因素；揭示城市污水处理厂中微生物群落在不同区域的分布格局，并探讨这种空间分布格局形成和维持的机制；验证生物地理学原理在城市污水处理系统中的适用性。以期深入认识污水生物处理系统的本质，为污水处理系统的设计及优化运行提供科学依据，同时丰富微生物生态学的理论。

全面认识污水处理系统中微生物的群落结构及功能，对于污水处理系统的设计及稳定运行具有重要的指导作用，同时对于丰富微生物生态学原理具有重要作用。经典的分子生物学方法（克隆文库和DNA图谱技术等）很难全面获得微生物群落结构的信息，而新一代的高通量测序及基因芯片技术则可以提供更加全面和准确的微生物群落信息。本课题运用454测序、Illumina测序和基因芯片等高通量技术，结合生物信息学分析方法，开展了城市污水处理厂中微生物群落多样性、地域分布及动态变化的研究。认识了我国由北至南10个城市中26个实际规模污水处理系统的微生物群落功能基因多样性，及位于哈尔滨、北京、无锡和深圳的污水处理系统的30个活性污泥样品的16S rRNA基因多样性。从16S rRNA基因和功能基因的角度揭示了污水处理系统微生物群落多样性水平，发现地理位置相近的污水处理系统微生物群落相似性更高，且我国不同地域的城市污水处理厂具有核心微生物群落；验证了生物地理学原理在城市污水处理系统中的适用性，揭示了我国城市污水处理厂中微生物群落功能基因具有微弱的距离-衰减（Distance-decay）规律，并指出地理位置对功能基因结构有一定影响，但环境因素的影响作用更大；探究了实际规模的平行运行的膜生物反应器（MBR）和氧化沟（OD）系统内微生物群落动态变化，并揭示了各系统核心功能基因的相互作用关系，指出MBR内功能基因平均连接数目高于OD内功能基因平均连接数目，其可能原因是MBR的微生物面临更大的基质稀缺压力而选择加强相互联系来应对这一压力。通过以上研究，全面讨论并揭示了影响微生物群落多样性和结构的重要因素，指出水质特征、工艺与操作条件和地理位置对微生物群落多样性、动态变化和地理学分布均有影响作用；并与美国俄克拉荷马大学周集中（Jizhong Zhou）教授课题组合作共同实现了具有城市污水处理厂微生物群落信息储存、数据预处理、数据解析的一体化功能的数据库的运行，为后续相关研究提供了便利。以此，深入认识了污水生物处理系统的本质，也丰富了微生物生物地理学的理论。