2017-11-24
最近，派森諾生物分別與華南農業大學、中國農業大學、東南大學、上海交通大學、東華大學合作，在《Bioresource Technology》（最新影響因子：5.651）連發五篇文章，解析生物反應器和人工濕地污泥等微生態體系中，微生物群落的結構變化規律。
文章1：時間和深度影響好氧堆肥的真菌多樣性
研究背景：
家禽和牲畜糞便，含有氮、磷、鉀等營養元素，可通過好氧堆肥實現有機廢物等資源的有效利用。好氧堆肥（Aerobic composting）是在合適的水分、通氣條件下微生物通過自身的代謝活動，降解有機物，使有機物變成穩定腐殖質的過程。
真菌能分泌纖維素酶等多種胞外酶，耐受堆肥過程中的高溫，因此，在好氧堆肥過程中起著重要作用。環境條件、原材料性能和工藝參數都會影響微生物分布、活性和數量變化。
研究目的：
探究真菌群落在靜態有氧堆肥過程中隨時間和深度的變化規律。
研究方法：
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組真菌ITS1區測序
實驗對象：靜態有氧堆肥樣本
樣本數量：63
實驗設計：
調節堆肥物料（蘑菇殘余物和雞糞按1：1混勻）濕度為約50%，靜態好氧堆肥21 d，在不同深度[20 cm（D1）、40 cm（D2）、60 cm（D3）]和不同時間[1 d（T1）、3 d（T2）、5 d（T3）、7 d（T4）、10 d（T5）、14 d（T6）、21 d（T7）]取樣，每樣本三個重復，用于后續測序分析。
研究結果：
對不同時間和階段的堆肥樣品進行高通量測序，結果如下：
分類等級樹圖
堆肥四個階段微生物多樣性指數
Cytoscape 網絡可視化：四個階段優勢微生物分布及相對豐度
隨著堆肥進程，真菌群落分為四個階段。早期堆肥階段（Type I）主要為Saccharomycetales sp.；中期堆肥階段的真菌群落包括Type II型和III型，主要為Sordariales sp.，Acremonium alcalophilum，Saccharomycetales sp.和Scedosporium minutisporum；后期堆肥階段（Type IV），主要為Scedosporium minutisporum，且極易受深度影響。
總結：
本研究揭示了有氧堆肥過程真菌群落的時間和空間變化。隨著堆肥進程，真菌群落分為四個階段；且在靜態有氧堆肥過程中，時間和深度都是影響真菌分布和變化的因素。
文章索引：
Gu W, Lu Y, Tan Z, et al. Fungi diversity from different depths and times in chicken manure waste static aerobic composting[J]. Bioresource Technology, 2017, 239:447.doi: 10.1016/j.biortech.2017.04.047
原文鏈接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417305370
文章2：糖蜜作為發酵底物對兩級固定化反應器微生物群落的影響
研究背景：
糖蜜是用甘蔗或甜菜制糖過程中的產生的一種副產品。生產4噸糖就會產生1噸糖蜜，1噸糖蜜發酵可產生0.2噸乙醇。但是糖蜜發酵會產生大量的高鹽、高氨的廢水，對環境危害極大，且限制了沼氣的生成。
厭氧發酵是處理糖蜜的有效途徑，在厭氧條件下通過微生物的代謝活動而被穩定化，同時伴有甲烷和CO2產生。有研究表明，兩級固定床反應器處理糖蜜效率高，能促進COD的去除，并能負荷高濃度的有機物，更適于工業應用。因此，研究糖蜜對反應器性能以及對兩個階段微生物群落的影響，具有實際意義。
研究目的：
（1）探究不同濃度的有機負荷對反應器和微生物群落的影響；
（2）探究糖蜜作為甲烷生產原料的潛力。
研究方法：
測序技術：Roche 454 GSFLX Titanium高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因測序
實驗對象：反應器顆粒活性污泥
樣本數量：2
實驗設計：
反應器運行溫度恒定35℃，糖蜜作為微生物生長的唯一碳源。初始階段持續約30天，逐漸增加有機負荷直至甲烷產生量穩定；接著啟動第二階段，第一階段（R1）排出的廢水作為第二階段（R2）的原料，水力停留時間3d，COD每22-29 d增加10000 mg/L，直至反應器再次運行穩定。取運行154 d的反應器顆粒活性污泥用于測序，顆粒活性污泥樣本取自反應器底部污泥和活性炭纖維。
研究結果：
對運行154 d的反應器顆粒活性污泥進行高通量測序，結果如下：
門水平菌群組成
科水平菌群組成
由門和科水平的物種組成可知，第一階段（FSR）Anaerolineaceae等相對豐度較高，能夠消化碳水化合物，第二階段（SSR）Synergistaceae等相對豐度較高，能夠消化VFAs和難分解化合物，且降解產物供產甲烷菌利用。
總結：
采用固定床反應器處理糖蜜，隨著有機負荷（OLR）的提高，兩級系統顯示出更優越的性能（如有機質和COD的去除，沼氣的產生）；結合高通量測序分析和qPCR分析，揭示了反應器不同階段微生物種群結構和數量的動態變化及生化降解特征。
文章索引：
Meng X, Yuan X, Ren J, et al. Methane production and characteristics of the microbialcommunity in a two-stage fixed-bed anaerobic reactor using molasses.[J]. BioresourceTechnology, 2017, 241.doi: 10.1016/j.biortech.2017.05.181
原文鏈接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417308490
文章3：銀顆粒影響垂直流人工濕地的養分去除和菌群組成
研究背景：
銀納米粒子（AgNPs）作為最常見的工程納米材料廣泛用于日用品行業，如高性能服裝、食品包裝等，但隨著使用量的增加，AgNPs通過污水排放和地表徑流釋放到環境中，造成嚴重的環境污染。人工濕地（CWs）作為一種傳統的污水處理生態系統，也面臨著納米顆粒的污染；有研究表明，AgNPs可以抑制植物和微生物的活動，進而對CWs產生負面影響。因此，研究不同環境和生態系統中AgNPs的命運和行為，不僅有助于完善風險評估，也能為評估AgNPs對人工濕地的影響提供參考。
研究目的：
（1）評價不同濃度的AgNPs對人工濕地COD、N、P去除的長期影響；
（2）在長期接觸AgNPs后，揭示CWs微生物群落結構的變化；
（3）探索AgNPs在人工濕地系統的命運和行為。
研究方法：
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V4區測序
實驗對象：人工濕地土壤樣本
樣本數量：6
實驗設計：
待人工濕地培養26 d，穩定運行后，分別向三個人工濕地CW1、CW2和CW3添加銀納米粒子（AgNPs）濃度0、50和200 μg/L，繼續運行，取2016年7月2日的土壤樣本用于測序反應，樣本采集自下層土壤表層（0-5 cm）和上層土壤表層（15-20 cm）。
研究結果：
對運行穩定的人工濕地土壤樣本進行高通量測序，結果如下：
上層土壤菌群分類組成
下層土壤菌群分類組成
高通量測序結果表明，在不同的AgNPs濃度下，微生物群落變化明顯，其中變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門為優勢菌。
總結：
與對照組（無AgNPs）相比，添加銀納米粒子（AgNPs）不影響COD去除，但會顯著影響TN、NH4 +-N、TP去除，其影響與AgNPs濃度呈正相關。此外，AgNPs能有效地從廢水中去除，并富集在土壤層和植物組織中。高通量測序結果表明，在不同的AgNPs濃度下，微生物群落變化明顯，其中變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門為優勢菌。這些結果為評估AgNPs的生態效應提供了參考。
文章索引：
Huang J, Cao C, Yan C, et al. Impacts of silver nanoparticles on the nutrient removal and functional bacterial community in vertical subsurface flow constructed wetlands[J]. Bioresource Technology, 2017.doi: 10.1016/j.biortech.2017.07.178
原文鏈接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417312944
文章4：改良浮式濕地去除二次廢水中氮
研究背景：
改良型浮式濕地（Enhanced floating treatment wetlands，EFTWs）：通過生物載體和挺水植物吸附凈水微生物，能有效降低廢水中氮、磷等營養元素。浮式濕地在水體污染凈化、生境改善和生態修復中具有多種功能和作用。二次廢水由于缺乏生物可降解有機碳，不滿足完全反硝化的需求。因此，在處理二次廢水時，需要提供外源電子供體。
研究目的：
（1）比較AEFTW、HEFTW和EFTW的除氮性能；
（2）評估EFTWsN2O排放量，探索不同電子供體對N2O排放的影響；
（3）研究AEFTW、HEFTW和EFTW的微生物群落結構和生物脫氮機理。
研究方法：
測序技術：Illumina Hiseq 2000高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V3區測序
實驗對象：改良型浮式濕地的污泥樣本
樣本數量：6
實驗設計：
樣本E1和E2、A1和A2、H1和H2分別取自EFTW、AEFTW、HEFTW運行第75天和第330天的污泥。
浮式濕地（EFTW）：對照組，不添加電子供體
自養浮式濕地（AEFTW）：添加硫代硫酸鹽作為電子供體
異養浮式濕地（HEFTW）：添加醋酸鹽作為電子供體
改良型浮式濕地（EFTWs）
研究結果：
對不同濕地的污泥樣本進行高通量測序，結果如下：
三種濕地菌群組成分析
RDA分析
高通量測序結果顯示，電子供體誘導微生物結構的明顯轉變，Dechloromonas、硫桿菌、硝化螺菌屬分別成為HEFTW，AEFTW和EFTW樣品中最優勢的菌。結合RDA分析，揭示了電子供體以及其他環境因子與菌群組成之間的相關性。
總結：
研究了三種新型濕地系統：自養浮式濕地（AEFTW），異養浮式濕地（HEFTW），浮式濕地（EFTW）去除二次污水中氮的能力AEFTW和HEFTW具有良好的脫氮性能；AEFTW硝化和反硝化作用更強；加入電子供體減少了N2O的排放，夏季和秋季效果尤為明顯。結合高通量測序結果，揭示了電子供體對微生物種群結構的影響以及環境因子與菌群組成之間的相關性。
原文索引：
Gao L, Zhou W, Huang J, et al. Nitrogen removal by the enhanced floating treatment wetlands from the secondary effluent[J]. Bioresource Technology, 2017, 234:243-252.doi: 10.1016/j.biortech.2017.03.036
原文鏈接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417303061
文章5：生物膜電極與人工濕地相結合高效去除無機氮
研究背景：
人工濕地（CW）具有上層有氧和下層缺氧的特點，可以同時發生硝化和反硝化過程。但是反硝化作用受到有機碳源缺乏的限制，且硝化和反硝化細菌極易受環境因子影響。
生物膜電極反應器（BER）的反硝化脫氮技術是將電化學法與生物膜法相結合新興水處理技術。通過微電場作用將微生物固定在陰極表面，利用陰極電場微電解水釋放出游離氫為反硝化菌提供電子受體，達到反硝化效果，具有不需外加有機碳源、處理費用低廉等優點。
將CW和BER組合處理廢水具有揚長避短的效果。到目前為止，關于BER和CW組合處理廢水的報道微乎其微，研究它們結合使用性能對指導工業應用具有一定的實際意義。
研究目的：
（1）研究C/Ns、TIN濃度、電流強度和pH值對CW-BER除氮性能和微生物群落的影響；
（2）分析不同處理條件下CW和CW-BER的污染物去處效率和群落組成差異。
研究方法：
測序技術：Illumina Miseq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V4-V5區測序
實驗對象：CW和CW-BER陰極生物膜和與生物膜同高度的石英砂樣本
樣本數量：2
實驗設計：
研究不同C/N比（1:2、3:4、1:1、2:1），TIN濃度（45、60、75、90 mg/L），電流強度（I，5、10、15、20 mA）和pH值（6.5、7.0、7.5、8.0，用磷酸鹽緩沖液調節）對人工濕地性能的影響；待實驗結束后，取CW和CW-BER陰極生物膜和與生物膜同高度的石英砂樣本進行測序分析。
人工濕地和生物膜電極反應器組合使用示意圖
研究結果：
對CW和CW-BER陰極生物膜和與生物膜同高度的石英砂樣本進行高通量測序，結果如下：
CW和CW-BER的菌群組成分布對比
由菌群組成分析可知，人工濕地與生物膜電極結合反應器（CW-BER）提高了自養型反硝化菌（硫桿菌屬）的相對豐度。
總結：
在人工濕地中，自養和異養菌的分布依賴于反應器的運行條件。人工濕地與生物膜電極結合反應器（CW-BER）提高了自養型反硝化菌（硫桿菌屬）的相對豐度。研究不同C/Ns、TIN濃度、電流強度和pH值對反應器的影響，結果表明，微電場對硝酸鹽的去除具有顯著正效應，CW-BER能夠顯著提高無機氮的去處效率。
文章索引：
Wang J, Wang Y, Bai J, et al. High efficiency of inorganic nitrogen removal by integrating biofilm-electrode with constructed wetland: Autotrophic denitrifying bacteria analysis.[J]. Bioresource Technology, 2016, 227:7.doi: 10.1016/j.biortech.2016.12.046
原文鏈接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852416317163
以上五篇文章，通過高通量測序手段，對生物反應器和人工濕地污泥等微生態體系進行了定性定量分析，揭示了不同時期的微生態體系中，微生物群落的動態分布規律，以及不同條件調控下的群落結構變化，為反應器等裝置在實際工程中的應用提供了微生態學依據。
