2018-06-28
正文
最近，派森諾生(sheng)(sheng)物再次(ci)與西(xi)北農(nong)林科技大學合(he)作，在(zai)(zai)《Bioresource Technology》（影響因(yin)子(zi)：5.807）發表論(lun)文，探究了(le)在(zai)(zai)厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)耦合(he)反硝化(hua)（SAD）過程中(zhong)，是(shi)否優(you)勢微生(sheng)(sheng)物與稀(xi)有類群在(zai)(zai)對(dui)IC/NH4+-N脅迫的反應中(zhong)呈現出截然不同的生(sheng)(sheng)物多樣性模式，還是(shi)存在(zai)(zai)差異的潛在(zai)(zai)群落(luo)組裝機制。
研究背景
近幾十(shi)年(nian)來，生物反(fan)硝化(hua)工(gong)藝正處于由以下(xia)兩個方面(mian)推(tui)動(dong)的重(zhong)大變革時期。一方面(mian)，有必要對過(guo)去30年(nian)建成(cheng)(cheng)的一些污(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)廠進(jin)行(xing)改造。另一方面(mian)，日益嚴格的廢水(shui)(shui)(shui)營養指(zhi)南的推(tui)動(dong)正在(zai)多(duo)個地方實(shi)施。因(yin)此，工(gong)業(ye)和(he)城市污(wu)水(shui)(shui)(shui)處理(li)廠（WWTPs）的能源中(zhong)(zhong)性(xing)和(he)資源回收(shou)存(cun)在(zai)主要需求。厭(yan)氧(yang)氨(an)氧(yang)化(hua)（anammox）過(guo)程已(yi)經在(zai)許(xu)多(duo)WWTPs工(gong)程中(zhong)(zhong)成(cheng)(cheng)功運(yun)行(xing)，因(yin)為(wei)(wei)它(ta)們在(zai)反(fan)硝化(hua)方面(mian)具有成(cheng)(cheng)本效益和(he)能源效率。在(zai)這些過(guo)程中(zhong)(zhong)，厭(yan)氧(yang)氨(an)氧(yang)化(hua)耦合反(fan)硝化(hua)（SAD）過(guo)程已(yi)經演變為(wei)(wei)解(jie)決能源自給自足，N2O排放和(he)碳足跡的策略(lve)。然而，厭(yan)氧(yang)氨(an)氧(yang)化(hua)細菌(jun)對環境因(yin)素（包括pH，溶解(jie)氧(yang)（DO）和(he)C/N比(bi)等(deng)）的敏感(gan)性(xing)一直是SAD過(guo)程主流應用的限制(zhi)因(yin)素。
研究(jiu)目的
探究以下三個問題：
（1）在不(bu)同的IC/NH4 ;+-N比(bi)率脅迫下，優(you)勢和稀(xi)有(you)類群是否存在不(bu)同模式？
（2）優勢和稀(xi)有類群(qun)共同作用是(shi)怎么樣的？影(ying)響優勢和稀(xi)有類群(qun)動態的主(zhu)要驅動因素(su)是(shi)什么？
（3）哪些細菌亞群(qun)落是氮(dan)轉化的關鍵調(diao)控因子(zi)？
研究方法(fa)
測(ce)序技(ji)術：Illumina MiSeq高通量測(ce)序平臺
測序(xu)模(mo)式(shi)：微生(sheng)物組(zu)細菌(jun)16S rRNA基因V3-V4區測序(xu)
實(shi)驗對象：已(yi)運行4年的實(shi)驗室規模的測序間歇反應器（SBR）中，每個(ge)階段(duan)結束時采集5個(ge)污泥樣(yang)本，混合為1個(ge)。總共7期共產生7個(ge)樣(yang)本。
研究結(jie)果
1、優勢和稀有亞群落的異質性
經過質(zhi)量過濾和(he)(he)拼接(jie)全部污泥樣品(pin)生(sheng)成了(le)149,108個(ge)細菌(jun)16S V3-V4高質(zhi)量序列，然后根據97%相(xiang)似度進(jin)行劃分(fen)(fen)，得到2495個(ge)OTU。優(you)勢(shi)（>0.05%）和(he)(he)稀有(you)(you)（<0.001%）分(fen)(fen)類(lei)水平分(fen)(fen)別包含116和(he)(he)822個(ge)OTU，分(fen)(fen)別占OTU總數的(de)4.6%和(he)(he)32.9%。瞬時(shi)分(fen)(fen)類(lei)單(dan)元(yuan)（介于優(you)勢(shi)和(he)(he)稀有(you)(you)物種(zhong)之間）由1557個(ge)OTU組成，占OTU總數的(de)62.4％。從群落組成和(he)(he)動態的(de)角度來看(kan)，優(you)勢(shi)、稀有(you)(you)和(he)(he)瞬時(shi)的(de)群落組成大不相(xiang)同(tong)。另外(wai)，觀察(cha)到的(de)優(you)勢(shi)分(fen)(fen)類(lei)單(dan)元(yuan)在(zai)所(suo)有(you)(you)樣品(pin)都存(cun)在(zai)，而(er)稀有(you)(you)分(fen)(fen)類(lei)單(dan)元(yuan)只(zhi)在(zai)來自第IV階段、第V階段和(he)(he)第VII階段的(de)樣本中(zhong)(zhong)存(cun)在(zai)。通過Wilcoxon秩和(he)(he)檢驗，稀有(you)(you)的(de)和(he)(he)優(you)勢(shi)的(de)亞(ya)群落在(zai)IC/NH4+-N比值(zhi)約束有(you)(you)顯著差(cha)異（P < 0.05）。在(zai)瞬時(shi)分(fen)(fen)類(lei)單(dan)元(yuan)和(he)(he)整個(ge)群落中(zhong)(zhong)，Proteobacteria，Chloroflexi和(he)(he)Planctomycetes是SAD系統中(zhong)(zhong)的(de)優(you)勢(shi)門，這些(xie)門可能對反(fan)硝化起(qi)關(guan)鍵作用。這些(xie)結果表明，不同(tong)生(sheng)存(cun)策(ce)略已被(bei)優(you)勢(shi)、稀有(you)(you)和(he)(he)瞬時(shi)分(fen)(fen)類(lei)單(dan)元(yuan)所(suo)采用。
圖1 在不(bu)同(tong)的處(chu)理階段，不(bu)同(tong)亞群落和整個群落中的門的分(fen)布(bu)
2、環境因素與微生物(wu)群落之間的(de)聯系
基于未加權UniFrac距離(li)矩陣，PCoA的結(jie)(jie)果(guo)表明(ming)，優(you)(you)勢(shi)和(he)稀(xi)有(you)(you)(you)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)之間(jian)的大(da)部分(fen)差異可以歸因(yin)于不(bu)同(tong)(tong)的IC/NH4+-N比(bi)值(zhi)(zhi)。與優(you)(you)勢(shi)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)和(he)整(zheng)個群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)相(xiang)比(bi)，稀(xi)有(you)(you)(you)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)具有(you)(you)(you)不(bu)同(tong)(tong)的生物多(duo)樣性模(mo)式。此外，基于加權UniFrac距離(li)，NMDS結(jie)(jie)果(guo)顯示(shi)，不(bu)同(tong)(tong)的IC/NH4+- N比(bi)值(zhi)(zhi)對分(fen)組模(mo)式有(you)(you)(you)較大(da)的影(ying)響。觀察(cha)到，低IC/NH4+-N比(bi)值(zhi)(zhi)（0-0.4）和(he)高IC/NH4+-N比(bi)值(zhi)(zhi)（0.7-1.3）的樣本分(fen)別在優(you)(you)勢(shi)的分(fen)類(lei)單元和(he)整(zheng)個群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)中(zhong)聚類(lei)更近。基于Spearman相(xiang)關性的Mantel 檢驗結(jie)(jie)果(guo)進一(yi)步證實(shi)，優(you)(you)勢(shi)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)（R2 = 0.832，P < 0.001）相(xiang)比(bi)于稀(xi)有(you)(you)(you)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)（R2 = 0.658，P < 0.001）和(he)整(zheng)個群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)更相(xiang)似(si)。鑒于第IV至第VII階(jie)段的NO2 - N去除(chu)效率，因(yin)此得出結(jie)(jie)論認為，稀(xi)有(you)(you)(you)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)限制了(le)(le)分(fen)布，并對NO2 - N的去除(chu)作出了(le)(le)重(zhong)大(da)貢(gong)獻。RDA分(fen)析(xi)結(jie)(jie)果(guo)表明(ming)，IC/NH4+-N比(bi)值(zhi)(zhi)是(shi)形成(cheng)優(you)(you)勢(shi)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)的主要因(yin)素。COD是(shi)形成(cheng)稀(xi)有(you)(you)(you)亞(ya)群(qun)(qun)(qun)落(luo)(luo)(luo)的主要因(yin)素。
圖2 屬水平共生網絡圖
3、不同(tong)細菌(jun)亞群落的(de)共(gong)生模式
優勢和(he)稀有(you)亞群(qun)落呈現(xian)(xian)出鮮明的共(gong)現(xian)(xian)模式(shi)，暗示(shi)了它們在非生物脅(xie)迫下(xia)不同的生存策略。優勢和(he)瞬時(shi)亞群(qun)落之(zhi)間(jian)內部聯系(xi)大于瞬時(shi)和(he)稀有(you)亞群(qun)落之(zhi)間(jian)的聯系(xi)。優勢亞群(qun)落比(bi)稀有(you)亞群(qun)落分(fen)布得更廣。稀有(you)亞群(qun)落受到非生物脅(xie)迫的強烈負選(xuan)擇(ze)，內共(gong)生模式(shi)的發(fa)生率較高。
4、氮循環的功能屬和關鍵基因
與(yu)同化(hua)硝(xiao)酸鹽還(huan)原基(ji)(ji)(ji)因(yin)相關(guan)的(de)(de)nasA基(ji)(ji)(ji)因(yin)比(bi)nasB和(he)nirA基(ji)(ji)(ji)因(yin)更(geng)(geng)(geng)優勢(shi)。至于(yu)反硝(xiao)化(hua)基(ji)(ji)(ji)因(yin)，nirK，nosZ，norC，qnorB，nirS和(he)nirD在(zai)第VII階段(duan)更(geng)(geng)(geng)優勢(shi)。包括narG，napA和(he)nrfA等(deng)在(zai)內的(de)(de)所有(you)功(gong)(gong)(gong)能(neng)基(ji)(ji)(ji)因(yin)在(zai)III-V階段(duan)具(ju)(ju)(ju)有(you)較高(gao)的(de)(de)豐(feng)(feng)度。另外，與(yu)氨(an)氧化(hua)有(you)關(guan)的(de)(de)基(ji)(ji)(ji)因(yin)（amoB / C和(he)hao）在(zai)V-VII期具(ju)(ju)(ju)有(you)更(geng)(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)豐(feng)(feng)度。KEGG分析顯示，III-VI階段(duan)（IC/NH4+-N比(bi)值為(wei)0.1-1.0）樣品具(ju)(ju)(ju)有(you)更(geng)(geng)(geng)多的(de)(de)TCA循環(1.01-1.35%)和(he)氮代謝(2.60-2.84%)的(de)(de)功(gong)(gong)(gong)能(neng)基(ji)(ji)(ji)因(yin)。與(yu)其他階段(duan)相比(bi)，來自第VII階段(duan)的(de)(de)樣品具(ju)(ju)(ju)有(you)更(geng)(geng)(geng)多的(de)(de)脂肪(fang)酸代謝功(gong)(gong)(gong)能(neng)基(ji)(ji)(ji)因(yin)（0.057％），表明更(geng)(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)IC/NH4+-N比(bi)進了這些異(yi)養微生物中的(de)(de)有(you)機物質(zhi)氧化(hua)。篩選出的(de)(de)屬，11個和(he)12個功(gong)(gong)(gong)能(neng)屬分別獲得優勢(shi)和(he)稀有(you)的(de)(de)亞群落。這些功(gong)(gong)(gong)能(neng)屬在(zai)去氮和(he)COD中起到關(guan)鍵(jian)作用。
圖3 氮循環功能基因預(yu)測
5、生態關聯和(he)定量反(fan)應關系
SAD系統中(zhong)的(de)厭氧(yang)氨氧(yang)化生(sheng)物(wu)質對(dui)非生(sheng)物(wu)脅(xie)迫(po)具有(you)一(yi)定的(de)抗性。厭氧(yang)氨氧(yang)化和DNRA是NH4+-N轉化的(de)關(guan)鍵途徑。稀有(you)分類(lei)單元是NH4+-N積(ji)累的(de)關(guan)鍵調控(kong)因子，而大量分類(lei)單元是NH4+-N消(xiao)耗(hao)的(de)主(zhu)要調控(kong)因子。
總結
在IC/NH4+-N比脅迫下，優(you)勢(shi)和稀有(you)的細(xi)菌具(ju)有(you)不(bu)同的組合模式(shi)，環境因(yin)素對這兩個細(xi)菌亞(ya)群落有(you)不(bu)同的影(ying)響。另外，Ca. Brocadia通常是優(you)勢(shi)種(zhong)，對IC脅迫具(ju)有(you)較(jiao)高的抗性。高IC/NH4+-N比（0.7-1.3）有(you)利(li)于HET、NIR、NAR和Ca. Jettenia，低IC/NH4+-N比（0-0.7）有(you)利(li)于AOB和NOB。稀有(you)分(fen)類單元(yuan)是NH4+-N積累和NO2--N消(xiao)耗的關鍵(jian)調控因(yin)子(zi)。
文章索(suo)引：
Duntao Shu, Hong Yue, Yanling He, Gehong Wei (2018)Divergent assemblage patterns of abundant and rare microbial subcommunities in response to inorganic carbon stresses in a simultaneous anammox and denitrification (SAD) system .Bioresource Technology.257（2018）249-259
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