2017-08-16
最近，派森諾生物與西北農林(lin)科技大學合作(zuo)，在《RSC Advances》發表文章（影響(xiang)(xiang)因子3.289），揭示了(le)碳(tan)氮比在氨氧化(hua)系統長期處(chu)理污水(shui)過程中的(de)(de)重要性，以及(ji)不同碳(tan)氮比對(dui)氨氧化(hua)菌(jun)群(qun)的(de)(de)多樣性組成譜(pu)變化(hua)的(de)(de)影響(xiang)(xiang)。
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)排放對河(he)流水(shui)質的(de)(de)(de)影響(xiang)日趨(qu)嚴重，為了更好地運(yun)用生(sheng)物脫氮(dan)方法對污水(shui)進(jin)行(xing)(xing)處理，本(ben)研究從(cong)4個方面對SBR序列批式反應器系統進(jin)行(xing)(xing)探(tan)究：1、有機(ji)碳(tan)氮(dan)比（TOC/TN）對有機(ji)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)菌(jun)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速率及生(sheng)物活(huo)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)影響(xiang)；2、有機(ji)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)細菌(jun)在不(bu)同(tong)TOC/TN比下對氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)過程(cheng)的(de)(de)(de)重要度(du)；3、脫氮(dan)速率與(yu)相關功能基因之間(jian)的(de)(de)(de)定量(liang)關系；4、厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)菌(jun)群的(de)(de)(de)多(duo)樣(yang)(yang)性(xing)(xing)與(yu)不(bu)同(tong)TOC/TN比的(de)(de)(de)關系。通過這4個方面的(de)(de)(de)研究，旨在闡明TOC/TN比在厭(yan)氧(yang)(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)系統對污水(shui)處理的(de)(de)(de)長(chang)期作用中，對該過程(cheng)的(de)(de)(de)影響(xiang)以及氨氧(yang)(yang)(yang)化(hua)菌(jun)群結構的(de)(de)(de)多(duo)樣(yang)(yang)性(xing)(xing)變化(hua)。
研(yan)究(jiu)方法(fa)
測(ce)序技(ji)術：Illumina MiSeq高通量測(ce)序平臺
測(ce)(ce)序(xu)模式(shi)：微生物組16S rRNA基因V3-V4區測(ce)(ce)序(xu)
實驗對象：SBR反(fan)應(ying)器中的活性污泥
實驗設(she)計：為(wei)研究(jiu)氨氧(yang)化(hua)系(xi)統對(dui)污(wu)水處理(li)的(de)長期(qi)(qi)作用，取(qu)900 ml的(de)種(zhong)子污(wu)泥，接種(zhong)于新的(de)SBR系(xi)統中(zhong)，進行為(wei)期(qi)(qi)140天(tian)(tian)的(de)長期(qi)(qi)反(fan)應(ying)。將140天(tian)(tian)分為(wei)6個(ge)階(jie)段，第一階(jie)段1~62天(tian)(tian)為(wei)適(shi)應(ying)期(qi)(qi)，在適(shi)應(ying)期(qi)(qi)過后，將乙酸鹽和丙酸鹽的(de)混合溶液(ye)加入到反(fan)應(ying)器中(zhong)保持每(mei)個(ge)階(jie)段不同的(de)TOC/TN比；在每(mei)個(ge)階(jie)段的(de)最后時(shi)(shi)刻，取(qu)SBR反(fan)應(ying)器中(zhong)0.5 g污(wu)泥用于DNA的(de)提(ti)取(qu)及后續測(ce)序(xu)。新的(de)SBR系(xi)統的(de)工(gong)(gong)作體(ti)積為(wei)2.6 L，工(gong)(gong)作時(shi)(shi)間為(wei)12小時(shi)(shi)。每(mei)個(ge)階(jie)段氨和亞硝酸的(de)流入濃度以及TOC/TN比的(de)具(ju)體(ti)數值見(jian)下表：
研究結果
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。
在不同(tong)TOC/TN比下， SBR反應(ying)器(qi)系統(tong)中污泥進行短程厭氧氨氧化(hua)反應(ying)，動(dong)力學結果表明在TOC/TN等于0.20時厭氧氨氧化(hua)菌的生長(chang)速率最大（0.1236 d-1）；并且，當TOC/TN在0.05~0.61之間時，Ca. Brocadia sinica 的生長(chang)速率(lv)和氨氧化活(huo)性都較高(gao)。
對SBR系統進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)長期(qi)污水處理的(de)效果進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)檢測，發現在(zai)I~III階(jie)段中SBR的(de)脫(tuo)氮(dan)(dan)效率(lv)及(ji)脫(tuo)氮(dan)(dan)速(su)率(lv)隨著(zhu)時間有(you)少許(xu)降(jiang)低，但是總(zong)體維(wei)持(chi)在(zai)較高水平；而進(jin)(jin)(jin)入IV階(jie)段后(hou)，脫(tuo)氮(dan)(dan)效率(lv)脫(tuo)氮(dan)(dan)速(su)率(lv)則明顯降(jiang)低；進(jin)(jin)(jin)入恢復期(qi)，加(jia)入了高濃度的(de)氨(an)氧(yang)化菌污泥后(hou)，脫(tuo)氮(dan)(dan)效率(lv)脫(tuo)氮(dan)(dan)速(su)率(lv)又(you)有(you)明顯回升。
在II~IV階段(duan)，自養(yang)氨氧(yang)化和有(you)機(ji)營(ying)養(yang)型氨氧(yang)化是主要的(de)(de)(de)脫(tuo)氮途徑(jing)(jing)，隨著(zhu)(zhu)時間(jian)的(de)(de)(de)推移，脫(tuo)氮比例有(you)少(shao)許減少(shao)（從(cong)76.03%到76.48%）；但(dan)是進入(ru)第V階段(duan)后(hou)，氨氧(yang)化途徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)脫(tuo)氮比例顯著(zhu)(zhu)下降(jiang)（2.42%），而(er)反硝化途徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)脫(tuo)氮比例明顯增加。
熒光定量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。
逐步回歸方程分析結果表明，在不同的TOC/TN比下，厭氧氨氧化、反硝化及有機氨氧化能同時存在于厭氧氨氧化SBR系統中，三者的共存使得脫氮和有機碳的去除可同時進行。
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(ge)階(jie)段(duan)污(wu)泥樣品中菌群(qun)的多樣性(xing)結果(guo)顯示(shi)，Planctomycetes平均(jun)相(xiang)對豐度(du)為31.25%，另外3個優勢(shi)門(men)分別是Proteobacteria（22.22%）、Chloroflexi（17.93%）及(ji)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階段中相對豐度有小幅增加，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，但在低TOC/TN比中具有一定豐度，并且在第IV、V階段中它的相對豐度也顯著降低。
總結
本研(yan)究(jiu)通過動力學(xue)分(fen)析(xi)、熒光定(ding)量PCR以及高通量測序等方法(fa)，將(jiang)短程氨氧(yang)化和(he)長期氨氧(yang)化分(fen)析(xi)結果(guo)相結合，闡(chan)明不(bu)同TOC/TN比對長期運(yun)用厭氧(yang)氨氧(yang)化系統進行(xing)污(wu)水(shui)(shui)處理的(de)(de)影響，為SBR污(wu)水(shui)(shui)處理工藝(yi)中TOC/TN比的(de)(de)控制提(ti)供有力的(de)(de)科學(xue)依據(ju)！
本研究的(de)測(ce)序和(he)數據分析工作由上海派森諾生(sheng)物科(ke)技(ji)股份有(you)限公司完(wan)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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