2017-08-03
最(zui)近，派森諾(nuo)生物與杭州師范大學(xue)合作，在《Bioresource Technology》（影響因子:5.651）發表文章，探究納米銅脅(xie)迫對厭氧氨氧化(hua)過程的長期(qi)影響。
1 研究背景
自(zi)二十世紀末以來(lai)，納米(mi)技(ji)術(shu)取得了突飛猛進(jin)的(de)發展。目前，工程納米(mi)粒子（NPs）已(yi)被廣(guang)泛應(ying)用于諸多消(xiao)費(fei)品和(he)(he)工業(ye)領域。例(li)如，納米(mi)銅(tong)因其優良的(de)導(dao)熱、導(dao)電以及殺(sha)菌性能在燃燒活性劑(ji)、紡(fang)織品、木材防腐產品等存在巨大價值。然而(er)，在生產、儲存和(he)(he)使用它的(de)過程中，不可避免地(di)會向環(huan)境中排放(fang)。因此，納米(mi)金(jin)屬污染的(de)環(huan)境風險已(yi)成(cheng)為公眾關注焦點和(he)(he)研究熱點。
厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)作(zuo)用即在厭(yan)氧（準確地說是缺氧，因為(wei)有亞硝酸(suan)鹽）條件下由厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)菌(jun)利(li)用亞硝酸(suan)鹽為(wei)電(dian)子受體(ti)，將氨(an)氮(dan)氧化(hua)(hua)為(wei)氮(dan)氣的生(sheng)物反應過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)。厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)是目前最方便的生(sheng)物脫(tuo)氮(dan)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)，然而，納(na)米金屬對于(yu)厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)的影響(xiang)尚(shang)不可知，本研(yan)究(jiu)選(xuan)擇納(na)米銅作(zuo)為(wei)研(yan)究(jiu)模型，探究(jiu)不同濃度納(na)米銅脅迫對厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)的長(chang)期影響(xiang)。
2 研究方(fang)法
測序(xu)技術(shu)：Illumina MiSeq高通量(liang)測序(xu)平臺(tai)
測序模式(shi)：微生物組16S rRNA基因V4區測序
樣(yang)本(ben)來源：污泥樣(yang)本(ben)
實驗設計：首先，對厭氧(yang)氨氧(yang)化反應器(qi)的(de)(de)脫氮性能(neng)進(jin)行評(ping)估，并在隨后(hou)對其增加(jia)0.5 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L不同濃(nong)度(du)的(de)(de)納米銅脅迫進(jin)行脫氮性能(neng)及恢(hui)復力評(ping)估。另(ling)外(wai)，利(li)用高(gao)通(tong)量測序技術分析(xi)(xi)不同時期微生物群落(luo)的(de)(de)動(dong)態變(bian)化。最后(hou)，通(tong)過RDA冗余分析(xi)(xi)和Pearson相關性分析(xi)(xi)，對試驗指(zhi)標與(yu)微生物群落(luo)的(de)(de)關系進(jin)行了評(ping)價。
3 研(yan)究結果
3.1 脫氮性能研究(jiu)
在反(fan)應器(qi)(qi)中成(cheng)功接種(zhong)厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化顆粒(li)后，反(fan)應器(qi)(qi)成(cheng)功啟動，并顯示了良(liang)好的(de)(de)(de)脫(tuo)(tuo)氮效率(lv)；隨后在實驗的(de)(de)(de)31天(tian)加入納米銅進(jin)行(xing)脅迫反(fan)應，但從0.5 mg/L到(dao)1.0 mg/L濃(nong)度變化來看，并沒(mei)有顯著(zhu)影響厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化過(guo)程(cheng)；直到(dao)將納米銅濃(nong)度增加到(dao)5.0 mg/L后，反(fan)應器(qi)(qi)的(de)(de)(de)脫(tuo)(tuo)氮性(xing)能隨著(zhu)時(shi)間變化迅速(su)惡化，在第72天(tian)，反(fan)應器(qi)(qi)中的(de)(de)(de)NH4+-N與NO2—N迅速(su)增加，脫(tuo)(tuo)氮效率(lv)急劇降低；而在除銅恢(hui)復過(guo)程(cheng)中，厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化反(fan)應器(qi)(qi)的(de)(de)(de)脫(tuo)(tuo)氮性(xing)能逐(zhu)漸恢(hui)復.
3.2 微生物(wu)群落組成與多樣(yang)性研究
用于(yu)檢測(ce)微生物多(duo)樣性菌落的(de)樣本分別采(cai)集于(yu)30、60、90、170天(tian)，從分析(xi)數(shu)據結果可以看出(chu)，菌群(qun)豐富度指數(shu)與多(duo)樣性指數(shu)均隨著納(na)米銅(tong)(tong)含(han)量的(de)不(bu)斷(duan)提高而增加；隨著納(na)米銅(tong)(tong)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(na)米銅(tong)(tong)濃度低于(yu)1.0 mg/L是(shi)呈增加趨勢(shi)，但隨著濃度增加至(zhi)5.0 mg/L時(shi)呈減少(shao)趨勢(shi).
3.3 功能(neng)性物種與代謝網絡差異研(yan)究
厭氧氨氧化(hua)功能物種Brocadiaceae豐度(du)在納米(mi)銅(tong)的(de)濃度(du)升至(zhi)5.0 mg/L時(shi)(shi)(shi)，其相對豐度(du)由29.56%降(jiang)至(zhi)17.53%，并(bing)在恢復(fu)期中豐度(du)重新增(zeng)長(chang)至(zhi)23.37%；同(tong)時(shi)(shi)(shi)RDA分析結(jie)果(guo)，揭示了反應(ying)(ying)器(qi)在30、60、90、170天的(de)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)結(jie)構(gou)與環(huan)境因子(zi)間的(de)作用情況，從菌(jun)(jun)(jun)群(qun)結(jie)構(gou)來(lai)看，當納米(mi)銅(tong)濃度(du)增(zeng)加至(zhi)1.0 mg/L時(shi)(shi)(shi)，菌(jun)(jun)(jun)群(qun)結(jie)構(gou)稍有變(bian)化(hua)，但當濃度(du)增(zeng)至(zhi)5.0 mg/L時(shi)(shi)(shi)，菌(jun)(jun)(jun)群(qun)結(jie)構(gou)變(bian)化(hua)隨之擴大，雖然170天時(shi)(shi)(shi)，反應(ying)(ying)器(qi)脫氮效果(guo)已經基(ji)本恢復(fu)，但菌(jun)(jun)(jun)群(qun)結(jie)構(gou)已經發(fa)生顯著變(bian)化(hua)，綜上可以看出納米(mi)銅(tong)對厭氧氨氧化(hua)過(guo)程(cheng)的(de)影響之大；
3.4 Cu相(xiang)關代謝功能預測分析
基于(yu)(yu)PICRUSt軟件預測(ce)菌群代(dai)謝功能(neng)預測(ce)，從分(fen)析結果中(zhong)(zhong)找到與(yu)(yu)銅(tong)(tong)(tong)相(xiang)關基因(yin)，并用STAMP軟件分(fen)別分(fen)析反應器(qi)(qi)30天與(yu)(yu)90天區別以及30天與(yu)(yu)170天區別；從結果可(ke)以看出，當納米(mi)銅(tong)(tong)(tong)濃度(du)(du)增加至5.0 mg/L濃度(du)(du)時，反應器(qi)(qi)中(zhong)(zhong)與(yu)(yu)銅(tong)(tong)(tong)抗性相(xiang)關的基因(yin)表達顯著上調；雖然在170天時，反應器(qi)(qi)的脫氮能(neng)力完(wan)全恢復，但其大(da)部分(fen)的銅(tong)(tong)(tong)抗性蛋白仍處(chu)于(yu)(yu)高(gao)表達狀態.
3.5 Pearson相關性(xing)分析納(na)米(mi)銅對脫氮性(xing)能(neng)影響(xiang)
Pearson相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)(guan)性(xing)分析揭示納米銅對脫氮性(xing)能的影響，圖中紅色區域表示兩個因子之前(qian)呈(cheng)(cheng)正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)(guan)，藍色區域呈(cheng)(cheng)負(fu)相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)(guan)，其中，Inf.CuNPs與(yu)(yu)Kuenenia呈(cheng)(cheng)負(fu)相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)(guan)趨(qu)勢，Eff.NO3與(yu)(yu)NRR呈(cheng)(cheng)負(fu)相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)(guan)趨(qu)勢，但與(yu)(yu)Eff. NH4、Eff.N2H4呈(cheng)(cheng)正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)(guan)趨(qu)勢，這(zhe)些均與(yu)(yu)RDA分析結果相(xiang)(xiang)吻合；另外Inf.CuNPs與(yu)(yu)抗銅基因CusABCF、CusSR、CopBZ、PcoBCD均呈(cheng)(cheng)正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)(guan)關(guan)(guan)(guan)(guan)系，表明隨(sui)著納米銅濃度逐漸增加(jia)，其抗銅機制(zhi)也在不斷增強。
4 研究(jiu)結(jie)論
厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)反應器的(de)脫氮能力(li)在5.0 mg/L的(de)納米銅(tong)含(han)量脅迫作用下的(de)30天里(li)幾乎被完全(quan)剝奪，同(tong)時厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)細(xi)菌(jun)Ca. Kuenenia的(de)含(han)量從29.59%降(jiang)低到17.53%；在恢(hui)復(fu)期中，與抗銅(tong)機制相關(guan)的(de)Cus、Cop與Pco系統卻顯著富集，消除多余的(de)胞內銅(tong)；而厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)的(de)脫氮能力(li)也在銅(tong)的(de)不斷流逝中完全(quan)恢(hui)復(fu)；這充(chong)分表明了厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)微(wei)生(sheng)物在納米銅(tong)脅迫下具有的(de)高敏感性、抗性以及恢(hui)復(fu)能力(li)；因此，納米金(jin)屬對于厭(yan)(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)微(wei)生(sheng)物的(de)潛在影響更加值得我(wo)們去關(guan)注。
參(can)考文(wen)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.
點擊鏈接，查(cha)看原文(wen)文(wen)獻：
