2017-06-09
最近，派(pai)森(sen)諾生(sheng)物與(yu)西北農林科技(ji)大學合作，在《RSC Advances》發表文(wen)章（最新(xin)影響因子3.289），揭示了碳(tan)(tan)氮比在氨(an)氧(yang)化(hua)系統長期處理(li)污水過程中的重(zhong)要性，以及不同(tong)碳(tan)(tan)氮比對氨(an)氧(yang)化(hua)菌群的多樣(yang)性組成譜變(bian)化(hua)的影響。
研究背景
厭氧氨氧化是指在缺氧條件下以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，將氨轉化為N2的生物脫氮過程，主要被應用于氨富集的污水處理工藝中。它由一群高度復雜的原核菌群構成，其中細菌占主導地位。厭氧氨氧化細菌被發現于反硝化反應器中，它們主要是由Plantomycete門組成，共有6個屬。由于厭氧氨氧化菌生長速率很緩慢，并且對環境條件很敏感，因此厭氧氨氧化微生物的應用并不廣泛。厭氧氨氧化菌是自養菌，并有研究報道，有機碳的碳氮比（TOC/TN）是自養氨氧化和異樣氨氧化反應的關鍵所在，所以碳氮比（TOC/TN）是生物脫氮的關鍵因素。
研究目的
污水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)排放對(dui)(dui)(dui)河(he)流(liu)水(shui)質的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響日趨嚴(yan)重，為了更好地運用(yong)生(sheng)物脫(tuo)氮(dan)方(fang)法對(dui)(dui)(dui)污水(shui)進行處理(li)，本研(yan)究(jiu)從4個(ge)方(fang)面對(dui)(dui)(dui)SBR序列批式反應器(qi)系(xi)統(tong)進行探(tan)究(jiu)：1、有(you)機(ji)碳氮(dan)比（TOC/TN）對(dui)(dui)(dui)有(you)機(ji)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化菌(jun)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速率及(ji)生(sheng)物活(huo)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響；2、有(you)機(ji)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化細菌(jun)在(zai)不(bu)同(tong)TOC/TN比下(xia)對(dui)(dui)(dui)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化過程的(de)(de)(de)(de)(de)重要度(du)；3、脫(tuo)氮(dan)速率與(yu)相關(guan)功能(neng)基(ji)因之間的(de)(de)(de)(de)(de)定量關(guan)系(xi)；4、厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化菌(jun)群(qun)的(de)(de)(de)(de)(de)多樣(yang)性(xing)與(yu)不(bu)同(tong)TOC/TN比的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)。通(tong)過這4個(ge)方(fang)面的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)，旨在(zai)闡明TOC/TN比在(zai)厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化系(xi)統(tong)對(dui)(dui)(dui)污水(shui)處理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)長(chang)期(qi)作用(yong)中，對(dui)(dui)(dui)該過程的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響以(yi)及(ji)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化菌(jun)群(qun)結構的(de)(de)(de)(de)(de)多樣(yang)性(xing)變化。
研(yan)究方法
測序技術(shu)：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序(xu)模式：微生物組(zu)16S rRNA基因V3-V4區測序(xu)
實驗對(dui)象：SBR反應器中的活性污泥(ni)
實驗設計：為研究(jiu)氨氧化系統(tong)對污水處理(li)的(de)長(chang)期(qi)作用(yong)，取(qu)(qu)900 ml的(de)種子污泥，接種于(yu)新的(de)SBR系統(tong)中，進行(xing)為期(qi)140天的(de)長(chang)期(qi)反應。將140天分為6個(ge)(ge)階(jie)(jie)段(duan)，第一階(jie)(jie)段(duan)1~62天為適應期(qi)，在適應期(qi)過后，將乙酸(suan)鹽(yan)(yan)和(he)(he)丙酸(suan)鹽(yan)(yan)的(de)混合溶液加入(ru)到(dao)反應器中保(bao)持每個(ge)(ge)階(jie)(jie)段(duan)不同的(de)TOC/TN比(bi)；在每個(ge)(ge)階(jie)(jie)段(duan)的(de)最后時刻，取(qu)(qu)SBR反應器中0.5 g污泥用(yong)于(yu)DNA的(de)提取(qu)(qu)及后續測序。新的(de)SBR系統(tong)的(de)工作體(ti)積為2.6 L，工作時間為12小時。每個(ge)(ge)階(jie)(jie)段(duan)氨和(he)(he)亞硝(xiao)酸(suan)的(de)流入(ru)濃度以及TOC/TN比(bi)的(de)具體(ti)數值見下表：
研究結(jie)果
對5個樣本進行高通量測序，獲得14,505~21,586條序列，5個樣本在97%的序列相似度水平歸并為1112~1750個OTU，共包含個15細菌門和144個屬。其中，Planctomycetes、Proteobacteria、Chloroflexi、Chlorobi為優勢門。
在(zai)不同(tong)TOC/TN比下， SBR反應(ying)器系統(tong)中污(wu)泥進行短程厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)反應(ying)，動(dong)力學結果表(biao)明在(zai)TOC/TN等于0.20時厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)菌的生長速(su)率最(zui)大（0.1236 d-1）；并(bing)且，當TOC/TN在0.05~0.61之(zhi)間時，Ca. Brocadia sinica的生長(chang)速率和氨氧化(hua)活(huo)性都較(jiao)高。
對(dui)SBR系統進(jin)行(xing)(xing)長期(qi)污水處理的(de)效果進(jin)行(xing)(xing)檢測，發現(xian)在I~III階段中SBR的脫(tuo)氮效(xiao)率及脫(tuo)氮速率隨著時間有少許降低，但是總體維持在較高(gao)水平；而(er)進(jin)入IV階段(duan)后，脫(tuo)(tuo)氮(dan)(dan)效率脫(tuo)(tuo)氮(dan)(dan)速率則(ze)明(ming)顯降低(di)；進入恢(hui)復期，加入了高濃度的(de)氨氧化菌(jun)污(wu)泥(ni)后，脫(tuo)(tuo)氮(dan)(dan)效率脫(tuo)(tuo)氮(dan)(dan)速率又有(you)明(ming)顯回升(sheng)。
在II~IV階段，自(zi)養氨氧(yang)化和有機營(ying)養型氨氧(yang)化是(shi)主要的脫氮(dan)途徑，隨著時間的推移，脫氮(dan)比例有少許減少（從76.03%到76.48%）；但是(shi)進入第V階段后，氨氧化途(tu)徑的(de)脫(tuo)氮(dan)比例顯著下(xia)降（2.42%），而(er)反硝化途(tu)徑的(de)脫(tuo)氮(dan)比例明顯增加。
熒光(guang)定量(liang)PCR結果顯示，從階段I到IV氨氧化細菌的AOB基因豐度逐步升高，而進入第V階段后，AOB基因豐度明顯下降，說明AOB基因對TOC/TN的耐受范圍在0.1~0.4之間。
逐步回(hui)歸(gui)方(fang)程分析結果表明，在不同的TOC/TN比下，厭氧(yang)(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)(yang)化、反硝化及有機(ji)氨氧(yang)(yang)(yang)(yang)化能同時存在于厭氧(yang)(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)(yang)化SBR系統中，三者的共存使得(de)脫氮和有機(ji)碳的去(qu)除可同時進行。
通過對NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TOC的轉化效率進行分析，得到可視化的氮素轉化通路圖，由通路圖可知具有AOA、AOB、nrfA及厭氧氨氧化功能基因的細菌是NH4+-N轉化的關鍵菌群；在TOC/TN≤0.1，即在第I~II階段時，厭氧氨氧化是NO2--N轉化的主要途徑，而在TOC/TN≥0.2（第III~V階段）時，NO2--N轉化的主要途徑是反硝化；在TOC/TN≥0.2時，nrfA和脫硝是NO2--N和NO3--N主要轉化途徑。
每個階(jie)段(duan)污泥樣(yang)品中菌群(qun)的多樣(yang)性結果顯示(shi)，Planctomycetes是(shi)最主要優勢(shi)門(men)，平均相(xiang)對豐度為31.25%，另外3個優勢(shi)門(men)分別是(shi)Proteobacteria（22.22%）、Chloroflexi（17.93%）及Chlorobi（11.78%）
將27個優勢屬進行菌群——功能一致性分析，由熱圖可視化結果可知在與厭氧氨氧化功能相關的3種屬中，Ca. Brocadia sinica的相對豐度從第I~IV階段逐漸升高，但是進入第(di)V階段后，其豐度有所下降；Ca. Jettenia asiatica在第II~III階段中相對豐度(du)有小幅(fu)增加，但是進入第5階段后顯著下降；Ca. Kuenenia stuttgartiensis不存在于第I階段中(zhong)，但在低TOC/TN比中(zhong)具有一定(ding)豐度，并且(qie)在第IV、V階(jie)段中它的相對豐(feng)度也顯著(zhu)降低(di)。
總(zong)結
本研(yan)究通過動(dong)力學分析、熒光(guang)定量PCR以(yi)及高(gao)通量測序等方(fang)法，將短程(cheng)氨(an)氧化(hua)和長期氨(an)氧化(hua)分析結果相結合，闡明不同TOC/TN比對長期運(yun)用厭氧氨(an)氧化(hua)系(xi)統進(jin)行污(wu)水(shui)處理(li)(li)的影響，為SBR污(wu)水(shui)處理(li)(li)工藝中TOC/TN比的控制提供有力的科學依據(ju)！
本研究的測序和數據分析工(gong)作由上海(hai)派(pai)森諾生物科(ke)技股份有限公司完成。
文章索引：
Shu D, He YL, Yue H, Gao JL, Wang QY, Yang SC (2016) Enhanced long-term nitrogen removal by organotrophic anammox bacteria under different C/N ratio constraints: quantitative molecular mechanism and microbial community dynamics. RSC Adv 6:87593–87606
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