2017-08-05
繼在《RSC Advances》發表文章探討碳氮比在氨氧化系統長期處理污水過程中的重要性之后，派森諾生物再次與西北農林科技大學合作，在《Applied Microbiology and Biotechnology》（影響因子3.420）上發表文章，揭示了不同Fe3+離子濃度下，厭氧氨氧化污水處理系統ASBR中，氨氧化微生物群落組成多樣性的變化情況。
研究背景
SBR是序批式活性污泥反應器的簡稱，是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理系統。它的主要特征是有序和間歇的運行操作，并且無污泥流回系統。在SBR系統中，核心部分就是厭氧氨氧化菌生物除氮技術，它們具有除氮效率和低廉的成本。鐵鹽在其中作為污水處理的沉淀劑，鐵離子則是厭氧氨氧化菌必不可少的底物，厭氧氨氧化菌能將厭氧氨氧化作用與Fe3+的還原作用相結合，對污水進行除氨脫氮。
研(yan)究(jiu)目的
SBR系統(tong)的(de)應(ying)用(yong)日(ri)趨廣泛(fan)，但(dan)是(shi)污水(shui)中(zhong)的(de)重金屬、有機物、PH值以(yi)及溶氧(yang)(yang)(yang)量(liang)限制了厭氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)菌的(de)生長(chang)速率。為了解決這些(xie)問題，讓厭氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)生物的(de)除氮能(neng)力(li)在SBR系統(tong)中(zhong)得到(dao)最(zui)大化(hua)的(de)利用(yong)，本研究(jiu)從4個方面v對SBR系統(tong)進行探究(jiu)：
1. 不同Fe3+濃度對厭氧氨氧化菌生長速(su)率和活性(xing)的影響；
2. 不同Fe3+濃度對SBR系統脫氮效果的影響；
3. SBR系(xi)統中氮、鐵循環(huan)相關功能基因間的關系(xi)；
4. 不同Fe3+濃度對氮、鐵循環相關菌群組成和多樣性的影響。
通過以上4個方面的研究，旨在說明SBR工藝中，Fe3+濃度對該過程的影響以及氨氧化菌群組成結構和多樣性的變化。
研究方(fang)法
測(ce)序(xu)技術：Illumina MiSeq高通量測(ce)序(xu)平臺(tai)
測(ce)序(xu)模式(shi)：微(wei)生物組16S rRNA基(ji)因V3-V4區測(ce)序(xu)
實驗對(dui)象：SBR反應器中的活性污(wu)泥
實驗設計：為研究ASBR系統對污水處理的長期作用，取900ml的種子污泥，接種于新的SBR系統中，進行為期120天的長期馴化反應。將120天分為6個階段，第一階段1~20天為適應期，不加入Fe3+離子；在適應期過后，將Fe3+-EDTA原液加入到反應器中保持每個階段不同的Fe3+離子濃度；在每個階段的最后時刻，取SBR反應器中0.5g污泥用于菌群總DNA的提取及后續測序。新的SBR系統的工作體積為2.6L，工作時間為6小時。每個階段氨、亞硝酸以及Fe3+流入濃度具體數值見下表：
研究結果
對ASBR系統(tong)分別進(jin)行短程和長(chang)期研(yan)究(jiu)，并對長(chang)期反應中6個階段的污(wu)泥樣(yang)本（共6個樣(yang)品）進(jin)行高通量(liang)測序(xu)，獲得28,306~33,426條高質量(liang)序(xu)列。
在不同Fe3+濃度下，ASBR系統中污泥短程反應的動力學結果表明，在Fe3+等于0.10mM時厭氧氨氧化菌的生長速率最大（0.1709 d-1）；當Fe3+濃度在0.04~0.10mM之間時，厭氧氨氧化菌的生長速率和氨氧化活性逐漸升高，但是隨著Fe3+濃度的繼續增加，厭氧氨氧化菌的生長速率和氨氧化活性反而有所降低。
ASBR系統長期污水(shui)處理(li)的效(xiao)果檢測發現，在(zai)I~V階段中SBR的脫氮效率及脫氮速率隨著Fe3+濃度的增加逐漸提高；而進入VI階段后，脫(tuo)氮(dan)(dan)效率和(he)脫(tuo)氮(dan)(dan)速率明顯降低，但還是高于第(di)I階段，說明厭氧氨氧化菌對高Fe3+濃度具有一定的耐受能力。
熒光定量PCR結果顯示，6個階段中厭氧氨氧化菌的絕對豐度在3.36 × 108和2.12 × 109拷貝數/g之間，在階段V中絕對豐度最(zui)高(gao)，進入第(di)VI階(jie)段后明(ming)顯(xian)下降；通過(guo)計算16s rRNA基因(yin)與功能基因(yin)的皮爾森(sen)相關系數，發現厭氧(yang)氨氧(yang)化菌與（narG+napA）、nrfA、nosZ及FeRB菌群都具(ju)有(you)顯(xian)著正(zheng)相關。
對6個階段污泥樣品進行高通量測序，其中優勢物種有分別Chloroflexi、Planctomycetes、Proteobacteria、Candidatus Brocadia、Kuenenia；PCoA結果顯示階段II~IV中的(de)厭氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化菌群的(de)組成結構更為相似，階段V和(he)VI更為(wei)相似，且與第I階段差異較大。
每個階段污泥樣品中菌群組成譜分析顯示，在6個階段中Chloroflexi都是最主要優勢門，平均相對豐度為36.54%，另外3個優勢門分別是Planctomycetes（32.26%）、Proteobacteria（16.95%）、Chlorobi（5.57%）
將(jiang)45個(ge)優(you)勢屬進行菌群(qun)——功能(neng)一(yi)致性分析，由熱(re)圖可視化(hua)結果可知(zhi)，45個(ge)優(you)勢屬中(zhong)26個(ge)具有已知(zhi)功能(neng)，其中(zhong)4個(ge)屬于厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)菌，7個(ge)具有反(fan)硝化(hua)功能(neng)，另外還有19個(ge)分類(lei)單元沒有預測到已知(zhi)功能(neng)類(lei)群(qun)。
通過PCoA的結果(guo)，將(jiang)6個樣(yang)品分為(wei)A、B、C三組，對菌(jun)(jun)(jun)群代謝途徑(jing)中各個子代謝通路進行統(tong)計，結果(guo)顯示氨氧(yang)化菌(jun)(jun)(jun)、硫氧(yang)化菌(jun)(jun)(jun)、硫還原菌(jun)(jun)(jun)、硝酸鹽還原菌(jun)(jun)(jun)、反硝化菌(jun)(jun)(jun)等在B、C中豐度更高。
總結
在以前研究的基礎上，本研究同樣運用動力學分析、熒光定量PCR以及高通量測序等方法，從短程氨氧化和長期氨氧化兩方面闡明不同Fe3+濃度對ASBR系統的影響，為SBR工藝處理污水中Fe3+濃度的控制提供有力的科學指導！
本研(yan)究(jiu)的(de)測序(xu)和數(shu)據分析工(gong)作由上海派森諾生物(wu)科(ke)技股(gu)份(fen)有限(xian)公(gong)司完成。
文章(zhang)索引：
Wang X , Shu D-T , Yue H (2016). Taxonomical and functional microbial community dynamics in an Anammox-ASBR system under different Fe (III) supplementation . Appl Microbiol Biotechnol . doi: 10.1007/s00253-016-7865-1
點擊鏈接，查看(kan)原文：//link.springer.com/article/10.1007%2Fs00253-016-7865-1
