2017-07-28
最(zui)近，派森(sen)諾(nuo)生物與杭州師范大學(xue)合作，在《Bioresource Technology》（最(zui)新(xin)影響因(yin)子(zi):5.651）發表文章，探究納米銅脅迫對厭氧(yang)氨氧(yang)化過程的(de)長期(qi)影響。
1 研究背景(jing)
自二十世(shi)紀末以來，納(na)米(mi)技術取(qu)得了突飛(fei)猛進的(de)發展。目(mu)前，工程(cheng)納(na)米(mi)粒子（NPs）已(yi)被廣泛應用于(yu)諸多消(xiao)費品(pin)和(he)工業領域。例如，納(na)米(mi)銅因其優良(liang)的(de)導(dao)熱(re)、導(dao)電(dian)以及(ji)殺菌性(xing)(xing)能在(zai)燃燒活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)、紡織品(pin)、木材防腐產(chan)品(pin)等存在(zai)巨大價(jia)值。然而，在(zai)生產(chan)、儲存和(he)使用它(ta)的(de)過程(cheng)中(zhong)，不(bu)可避(bi)免地會向(xiang)環(huan)(huan)境(jing)(jing)中(zhong)排放。因此，納(na)米(mi)金屬污染的(de)環(huan)(huan)境(jing)(jing)風險已(yi)成為公(gong)眾關注焦點和(he)研究熱(re)點。
厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)作用即在厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)（準確地(di)說是缺氧(yang)(yang)(yang)，因為(wei)(wei)有亞(ya)硝酸鹽(yan)）條(tiao)件下由厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)菌(jun)利用亞(ya)硝酸鹽(yan)為(wei)(wei)電子受(shou)體(ti)，將氨氮(dan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)為(wei)(wei)氮(dan)氣的(de)(de)(de)(de)生(sheng)物反(fan)應過程。厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)過程是目前最方便的(de)(de)(de)(de)生(sheng)物脫氮(dan)過程，因此被(bei)譽為(wei)(wei)最具前景的(de)(de)(de)(de)污(wu)水脫氮(dan)工(gong)藝(yi)。然而，納米(mi)金屬對于厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)過程的(de)(de)(de)(de)影響尚(shang)不可知，本研究(jiu)選擇納米(mi)銅作為(wei)(wei)研究(jiu)模(mo)型，探(tan)究(jiu)不同(tong)濃度納米(mi)銅脅迫對厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)過程的(de)(de)(de)(de)長期影響。
2 研(yan)究方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組16S rRNA基因V4區測序
樣本來源：污泥樣本
實驗設計(ji)：首(shou)先(xian)，對厭氧(yang)氨氧(yang)化反應器的(de)脫氮性能(neng)進(jin)(jin)行(xing)評估(gu)，并(bing)在隨后對其增加0.5 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L不同濃度的(de)納米銅脅(xie)迫(po)進(jin)(jin)行(xing)脫氮性能(neng)及(ji)恢(hui)復(fu)力評估(gu)。另外，利用(yong)高通量(liang)測序技(ji)術分(fen)析(xi)不同時期微生物群落(luo)的(de)動(dong)態變化。最后，通過RDA冗(rong)余分(fen)析(xi)和Pearson相(xiang)關性分(fen)析(xi)，對試(shi)驗指(zhi)標與(yu)微生物群落(luo)的(de)關系(xi)進(jin)(jin)行(xing)了評價。
3 研究結果
3.1 脫氮性能研究
在反(fan)應(ying)器(qi)中(zhong)(zhong)成功接種(zhong)厭氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化顆粒(li)后(hou)，反(fan)應(ying)器(qi)成功啟動，并顯(xian)示了良好的脫氮效率；隨后(hou)在實驗的31天(tian)(tian)加入納(na)米(mi)銅(tong)(tong)進行脅(xie)迫反(fan)應(ying)，但(dan)從0.5 mg/L到(dao)1.0 mg/L濃度變(bian)化來看，并沒有顯(xian)著影(ying)響厭氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化過(guo)(guo)程(cheng)；直到(dao)將(jiang)納(na)米(mi)銅(tong)(tong)濃度增(zeng)(zeng)加到(dao)5.0 mg/L后(hou)，反(fan)應(ying)器(qi)的脫氮性能(neng)隨著時間變(bian)化迅(xun)速惡(e)化，在第(di)72天(tian)(tian)，反(fan)應(ying)器(qi)中(zhong)(zhong)的NH4+-N與NO2—N迅(xun)速增(zeng)(zeng)加，脫氮效率急(ji)劇降低；而在除銅(tong)(tong)恢復過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，厭氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化反(fan)應(ying)器(qi)的脫氮性能(neng)逐漸恢復
3.2 微(wei)生(sheng)物群落(luo)組成與多樣性研究
用于檢測微生物多樣性菌落的樣本分別采集于30、60、90、170天，從分析數據結果可以看出，菌群豐富度指數與多樣性指數均隨著納米銅含量的不斷提高而增加；隨著納米銅濃度增加到5.0 mg/L，Proteobacteria, Planctomycetes, WS6, OD1與 NKB19相對豐度降低，Acidobacteria, [Thermi], Bacteroidetes, BRC1, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes與FBP相對豐度增加，而Armatimonadetes, Actinobacteria, OP11與 Firmicutes相對豐度在納米銅濃度低于1.0 mg/L是呈增加趨勢，但隨著濃度增加至5.0 mg/L時呈減少趨勢
3.3 功能性(xing)物(wu)種(zhong)與代謝網絡差異研究
厭氧氨氧化功能物種Brocadiaceae豐度在納米銅的濃度升至5.0 mg/L時，其相對豐度由29.56%降至17.53%，并在恢復期中豐度重新增長至23.37%；同時RDA分析結果，揭示了反應器在30、60、90、170天的菌群結構與環境因子間的作用情況，從菌群結構來看，當納米銅濃度增加至1.0 mg/L時，菌群結構稍有變化，但當濃度增至5.0 mg/L時，菌群結構變化隨之擴大，雖然170天時，反應器脫氮效果已經基本恢復，但菌群結構已經發生顯著變化，綜上可以看出納米銅對厭氧氨氧化過程的影響之大；
3.4 Cu相關代謝功(gong)能預測分析(xi)
基于PICRUSt軟(ruan)(ruan)件(jian)預(yu)測菌群代謝功能預(yu)測，從分析結(jie)果中(zhong)找到(dao)與(yu)銅(tong)相(xiang)關(guan)基因(yin)，并用STAMP軟(ruan)(ruan)件(jian)分別(bie)分析反應(ying)(ying)器30天與(yu)90天區別(bie)以及(ji)30天與(yu)170天區別(bie)；從結(jie)果可以看出，當納米銅(tong)濃度增加至5.0 mg/L濃度時，反應(ying)(ying)器中(zhong)與(yu)銅(tong)抗性(xing)相(xiang)關(guan)的基因(yin)表(biao)達(da)顯著上(shang)調；雖然(ran)在(zai)170天時，反應(ying)(ying)器的脫氮能力完全恢復，但其大部分的銅(tong)抗性(xing)蛋白仍處(chu)于高表(biao)達(da)狀態
3.5 Pearson相關性分析納米(mi)銅對脫氮(dan)性能影響
Pearson相關性分析揭示納米銅對脫氮性能的影響，圖中紅色區域表示兩個因子之前呈正相關，藍色區域呈負相關，其中，Inf.CuNPs與Kuenenia呈負相關趨勢，Eff.NO3與NRR呈負相關趨勢，但與Eff. NH4、Eff.N2H4呈正相關趨勢，這些均與RDA分析結果相吻合；另外Inf.CuNPs與抗銅基因CusABCF、CusSR、CopBZ、PcoBCD均呈正相關關系，表明隨著納米銅濃度逐漸增加，其抗銅機制也在不斷增強。
4 研(yan)究結論(lun)
厭氧氨氧化反應器的脫氮能力在5.0 mg/L的納米銅含量脅迫作用下的30天里幾乎被完全剝奪，同時厭氧氨氧化細菌Ca. Kuenenia的含量從29.59%降低到17.53%；在恢復期中，與抗銅機制相關的Cus、Cop與Pco系統卻顯著富集，消除多余的胞內銅；而厭氧氨氧化的脫氮能力也在銅的不斷流逝中完全恢復；這充分表明了厭氧氨氧化微生物在納米銅脅迫下具有的高敏感性、抗性以及恢復能力；因此，納米金屬對于厭氧氨氧化微生物的潛在影響更加值得我們去關注。
參考文獻
Zhang Z Z, Hu H Y, Xu J J, et al. Susceptibility, resistance and resilience of anammox biomass to nanoscale copper stress.[J]. Bioresource Technology, 2017, 241:35.
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