生物技術(shù)以其低成本、無(wú)污染等符合環(huán)保理念的特點(diǎn)引起了當(dāng)今污水處理界的關(guān)注。生物污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的所有問(wèn)題都與系統(tǒng)內(nèi)微生物的種群結(jié)構(gòu)相關(guān)，分子生物技術(shù)提供了一種從微觀上解析生物處理工藝中各部位的微生物種群結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)手段，通過(guò)建立污水水質(zhì)變化與微生物種群結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，一方面可以預(yù)測(cè)處理效果，另一方面可以篩選培養(yǎng)工程菌，進(jìn)而提高處理效果。近年來(lái)研究人員根據(jù)每種技術(shù)的特點(diǎn)，在不斷完善分析方法的基礎(chǔ)上努力降低分析局限性，使分子生物學(xué)技術(shù)在水處理研究和應(yīng)用領(lǐng)域均取得了巨大進(jìn)步。

1 分子生物學(xué)技術(shù)

表 1列舉了常用于研究水處理微生物種群結(jié)構(gòu)的主要分子生物技術(shù)、初期重要技術(shù)文獻(xiàn)及該種技術(shù)的特點(diǎn)。

表 1 微生物種群結(jié)構(gòu)研究采用的主要分子生物技術(shù)

2 分子生物學(xué)技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用
 
2.1 不同種類(lèi)污水在同一處理工藝中的微生物種群比較
污水種類(lèi)是決定活性污泥種群結(jié)構(gòu)的重要因素。張斌等采用DGGE技術(shù)對(duì)處理浴池游泳館污水、學(xué)生公寓污水、醫(yī)院污水和人工配水4種污水的膜生物反應(yīng)器（MBR）污泥種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，比較了總細(xì)菌和氨氧化細(xì)菌，并對(duì)優(yōu)勢(shì)菌進(jìn)行了16S rDNA克隆測(cè)序。結(jié)果表明，4個(gè)MBR中既存在共有的微生物種屬，但優(yōu)勢(shì)地位并不相同，又存在各自獨(dú)特的種屬，同源性分析顯示優(yōu)勢(shì)種群以Proteobacteria綱和Bacillus屬為主，對(duì)氨氮降解起主要作用的細(xì)菌群落屬于相同的種屬，且都處于頂級(jí)地位；反應(yīng)器中存在著多種氨氧化菌屬，其中以亞硝化單胞菌屬最為普遍，并且鑒定出2種反硝化菌屬，菌落中含有的亞硝化菌屬表明生物處理過(guò)程中含有多種硝化和脫氮途徑。N. Boon等使用16S rRNA作引物結(jié)合DGGE 技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析生活污水、造紙廠廢水、食品廠廢水以及紡織廠工業(yè)廢水的活性污泥中微生物菌群結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，DGGE和16S rRNA技術(shù)不僅可用于比較微生物群落間的差異，同時(shí)也可作為一種工具以改善污水處理過(guò)程中的監(jiān)測(cè)和控制，改進(jìn)處理不同種類(lèi)廢水的活性污泥工藝。

2.2 不同生物處理工藝中的微生物種群研究
 
2.2.1 活性污泥工藝
活性污泥工藝是污水處理中最常見(jiàn)的工藝，應(yīng)用廣泛。Xinchun Liu等使用DGGE技術(shù)對(duì)兩個(gè)分別采用缺氧/厭氧/好氧（A2/O）工藝和A/O工藝的水處理廠進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩個(gè)生物處理系統(tǒng)具有相似的細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)，原水中的優(yōu)勢(shì)菌落并不是活性污泥的優(yōu)勢(shì)菌落，處理效果好的系統(tǒng)與效果較差系統(tǒng)中的細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)類(lèi)似。王曉慧等采用基于16S rRNA基因的T-RFLP技術(shù)分析處理相同原水的A、B兩套污水處理系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)，其中A為A2/O工藝，B為倒置A2/O工藝（缺氧/厭氧/好氧）。結(jié)果表明，出水穩(wěn)定的兩套污水處理系統(tǒng)中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生了顯著變化，該結(jié)論與A. Briones等對(duì)工程環(huán)境下微生物種群結(jié)構(gòu)的過(guò)程穩(wěn)定性研究所得結(jié)論相對(duì)應(yīng)，即生態(tài)系統(tǒng)中存在多種功能相近的菌種，在環(huán)境條件發(fā)生變化的情況下弱勢(shì)菌種會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)菌種并形成新的平衡，維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2.2 生物膜工藝
生物膜法是利用微生物附著生長(zhǎng)在填料或載體表面，形成膜狀的活性污泥。肖勇等為了研究處理垃圾滲濾液的序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）中的細(xì)菌多樣性，采用DGGE技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)凝膠染色并進(jìn)行條帶統(tǒng)計(jì)分析、切膠測(cè)序、同源性分析同時(shí)建立了系統(tǒng)樹(shù)。結(jié)果表明，該SBBR中有多種硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌、好氧反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌共存，反應(yīng)器中可能同時(shí)存在全程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厭氧氨氧化3種脫氮方式。

2.2.3 膜生物工藝
膜生物反應(yīng)器是現(xiàn)代膜分離技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)生物處理技術(shù)產(chǎn)生的一種高效水處理工藝。牟潔等使用PCR-DGGE技術(shù)考察了天津某再生水處理廠MBR的培養(yǎng)馴化直至正常運(yùn)行全過(guò)程細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的演替情況，結(jié)果表明在整個(gè)污泥馴化過(guò)程中，微生物群落遭受了沖擊，最終趨于穩(wěn)定，并形成了新的特有的微生物群落生態(tài)系統(tǒng)，證明其中的優(yōu)勢(shì)菌種在去除有機(jī)物過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。A. C. Cole等對(duì)好氧膜生物反應(yīng)器（MABR）與活性污泥工藝進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明MABR比常規(guī)活性污泥系統(tǒng)有更豐富的微生物種群，且對(duì)于去除廢水中的含氮、含碳有機(jī)物有巨大潛能。

2.2.4 其他類(lèi)型生物處理工藝
Shuo Feng等將amoA基因的T-RFLP分析與克隆和序列分析相結(jié)合，研究中試規(guī)模的顆粒活性炭-砂子雙重過(guò)濾器中氨氧化古細(xì)菌和氨氧化細(xì)菌混合菌群的空間異質(zhì)性。結(jié)果表明顆�；钚蕴繕悠飞系陌毖趸�細(xì)菌菌群隨樣品在過(guò)濾器中深度的變動(dòng)而變化。而且，亞硝化單胞菌及其類(lèi)微生物是顆�；钚蕴繕悠分械膬�(yōu)勢(shì)氨氧化細(xì)菌菌種。 Xiaolei Liu等對(duì)處理中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)藥工業(yè)廢水的厭氧折流反應(yīng)器（PABR）中4個(gè)不同隔斷的微生物種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，研究分3個(gè)階段：DGGE結(jié)果顯示正常負(fù)荷條件下，在有機(jī)負(fù)荷（OLR）增高階段，4個(gè)隔斷中同一取樣時(shí)間的微生物樣本種群結(jié)構(gòu)并不相同，同一隔斷中不同取樣時(shí)間的微生物樣本種群結(jié)構(gòu)也不相同；在OLR穩(wěn)定階段，隔斷中的微生物種群結(jié)構(gòu)趨于相似；在OLR超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)階段，隔斷中的微生物種群結(jié)構(gòu)變化應(yīng)對(duì)水質(zhì)變化的機(jī)能被破壞，出水水質(zhì)迅速惡化，微生物種群結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定段相比變化顯著。

王峰等對(duì)比研究了城市污水化學(xué)生物絮凝強(qiáng)化一級(jí)處理工藝與傳統(tǒng)完全混合式處理工藝反應(yīng)池的活性污泥樣品微生物種群結(jié)構(gòu)，證明化學(xué)生物絮凝處理工藝的微生物作用機(jī)理與成分相近的完全混合式處理工藝中微生物的作用機(jī)理可能存在相當(dāng)大的差別。

2.3 菌株的鑒定及在生物強(qiáng)化技術(shù)中的應(yīng)用
分子生物技術(shù)可從微觀角度更細(xì)致地了解污染物的降解機(jī)制。FISH技術(shù)是活性污泥菌株鑒定中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，該技術(shù)結(jié)合顯微鏡的可視性，通過(guò)激發(fā)雜交探針的熒光來(lái)檢測(cè)信號(hào)，從而對(duì)未知的核酸序列進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果可直接在熒光顯微鏡下觀察。S. Hallin等采用FISH和DGGE技術(shù)分析活性污泥處理系統(tǒng)中氨氧化細(xì)菌（AOB）的群落組成，并用Quantitative-FISH定量分析，研究發(fā)現(xiàn)FISH 法可確定AOB中與種群數(shù)量相關(guān)的Nitrosomonas europaea和Nitrosomonas oligotropha兩種優(yōu)勢(shì)菌群，而DGGE法只能檢測(cè)到后者。16S rDNA克隆測(cè)序技術(shù)是另一種廣泛使用的菌株鑒定技術(shù)，Shunni Zhu等成功從活性污泥中分離出一種喹啉降解菌株，通過(guò)16S rDNA測(cè)序繪制系統(tǒng)樹(shù)，解析出其具體菌屬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其降解喹啉的性能。

利用分子生物技術(shù)篩選有價(jià)值的功能微生物并加以培養(yǎng)利用可有效提高污水處理效果。邢林林等采用RISA技術(shù)解析了一個(gè)處理溴氨酸廢水的生物反應(yīng)器在投加高效菌前后的污泥系統(tǒng)群落變化，分析表明高效菌可以在系統(tǒng)中穩(wěn)定存在，且不對(duì)原菌群結(jié)構(gòu)造成較大影響。Fang Ma等采用生物強(qiáng)化方法升級(jí)一個(gè)煉油廢水生物處理系統(tǒng)，通過(guò)PCR-TGGE技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的微生物菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌的種群數(shù)和種類(lèi)在各個(gè)階段不盡相同，生物強(qiáng)化后長(zhǎng)鏈烷烴濃度急劇下降，去除率達(dá)70%以上，幾乎所有的苯和苯系物、酯類(lèi)以及醛酮類(lèi)都被降解。生物強(qiáng)化后難降解有機(jī)物減少到32種，相比于未生物強(qiáng)化（68種）減少了50%。 具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)語(yǔ)
與傳統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)相比，分子生物學(xué)技術(shù)為研究水處理領(lǐng)域的微生物種群結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了一條全新的思路，通過(guò)檢測(cè)污水生物處理系統(tǒng)中的微生物種群核酸序列多態(tài)性、鑒定個(gè)體的基因型，可以了解系統(tǒng)中微生物群體的多樣性、實(shí)際生存狀態(tài)和功能特點(diǎn)，可在分子水平上闡述廢水生物處理的機(jī)制，對(duì)于更好地優(yōu)化污水處理系統(tǒng)具有理論意義與應(yīng)用價(jià)值。