最近，派森諾生物與杭州師范大學(xué)合作，在《Bioresource Technology》（最新影響因子:5.651）發(fā)表文章，探究納米銅脅迫對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程的長(zhǎng)期影響。
1 研究背景
自二十世紀(jì)末以來(lái)，納米技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，工程納米粒子（NPs）已被廣泛應(yīng)用于諸多消費(fèi)品和工業(yè)領(lǐng)域。例如，納米銅因其優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電以及殺菌性能在燃燒活性劑、紡織品、木材防腐產(chǎn)品等存在巨大價(jià)值。然而，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用它的過(guò)程中，不可避免地會(huì)向環(huán)境中排放。因此，納米金屬污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)已成為公眾關(guān)注焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。
厭氧氨氧化作用即在厭氧（準(zhǔn)確地說(shuō)是缺氧，因?yàn)橛衼喯跛猁}）條件下由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮?dú)獾纳锓磻?yīng)過(guò)程。厭氧氨氧化過(guò)程是目前最方便的生物脫氮過(guò)程，因此被譽(yù)為最具前景的污水脫氮工藝。然而，納米金屬對(duì)于厭氧氨氧化過(guò)程的影響尚不可知，本研究選擇納米銅作為研究模型，探究不同濃度納米銅脅迫對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程的長(zhǎng)期影響。
2 研究方法
測(cè)序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)
測(cè)序模式：微生物組16S rRNA基因V4區(qū)測(cè)序
樣本來(lái)源：污泥樣本
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：首先，對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮性能進(jìn)行評(píng)估，并在隨后對(duì)其增加0.5 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L不同濃度的納米銅脅迫進(jìn)行脫氮性能及恢復(fù)力評(píng)估。另外，利用高通量測(cè)序技術(shù)分析不同時(shí)期微生物群落的動(dòng)態(tài)變化。最后，通過(guò)RDA冗余分析和Pearson相關(guān)性分析，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)與微生物群落的關(guān)系進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
3 研究結(jié)果
3.1 脫氮性能研究
在反應(yīng)器中成功接種厭氧氨氧化顆粒后，反應(yīng)器成功啟動(dòng)，并顯示了良好的脫氮效率；隨后在實(shí)驗(yàn)的31天加入納米銅進(jìn)行脅迫反應(yīng)，但從0.5 mg/L到1.0 mg/L濃度變化來(lái)看，并沒(méi)有顯著影響厭氧氨氧化過(guò)程；直到將納米銅濃度增加到5.0 mg/L后，反應(yīng)器的脫氮性能隨著時(shí)間變化迅速惡化，在第72天，反應(yīng)器中的NH4+-N與NO2—N迅速增加，脫氮效率急劇降低；而在除銅恢復(fù)過(guò)程中，厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮性能逐漸恢復(fù)
3.2 微生物群落組成與多樣性研究
用于檢測(cè)微生物多樣性菌落的樣本分別采集于30、60、90、170天，從分析數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，菌群豐富度指數(shù)與多樣性指數(shù)均隨著納米銅含量的不斷提高而增加；隨著納米銅濃度增加到5.0 mg/L，Proteobacteria, Planctomycetes, WS6, OD1與 NKB19相對(duì)豐度降低，Acidobacteria, [Thermi], Bacteroidetes, BRC1, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes與FBP相對(duì)豐度增加，而Armatimonadetes, Actinobacteria, OP11與 Firmicutes相對(duì)豐度在納米銅濃度低于1.0 mg/L是呈增加趨勢(shì)，但隨著濃度增加至5.0 mg/L時(shí)呈減少趨勢(shì)
3.3 功能性物種與代謝網(wǎng)絡(luò)差異研究
厭氧氨氧化功能物種Brocadiaceae豐度在納米銅的濃度升至5.0 mg/L時(shí)，其相對(duì)豐度由29.56%降至17.53%，并在恢復(fù)期中豐度重新增長(zhǎng)至23.37%；同時(shí)RDA分析結(jié)果，揭示了反應(yīng)器在30、60、90、170天的菌群結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子間的作用情況，從菌群結(jié)構(gòu)來(lái)看，當(dāng)納米銅濃度增加至1.0 mg/L時(shí)，菌群結(jié)構(gòu)稍有變化，但當(dāng)濃度增至5.0 mg/L時(shí)，菌群結(jié)構(gòu)變化隨之?dāng)U大，雖然170天時(shí)，反應(yīng)器脫氮效果已經(jīng)基本恢復(fù)，但菌群結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生顯著變化，綜上可以看出納米銅對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程的影響之大；
3.4 Cu相關(guān)代謝功能預(yù)測(cè)分析
基于PICRUSt軟件預(yù)測(cè)菌群代謝功能預(yù)測(cè)，從分析結(jié)果中找到與銅相關(guān)基因，并用STAMP軟件分別分析反應(yīng)器30天與90天區(qū)別以及30天與170天區(qū)別；從結(jié)果可以看出，當(dāng)納米銅濃度增加至5.0 mg/L濃度時(shí)，反應(yīng)器中與銅抗性相關(guān)的基因表達(dá)顯著上調(diào)；雖然在170天時(shí)，反應(yīng)器的脫氮能力完全恢復(fù)，但其大部分的銅抗性蛋白仍處于高表達(dá)狀態(tài)
3.5 Pearson相關(guān)性分析納米銅對(duì)脫氮性能影響
Pearson相關(guān)性分析揭示納米銅對(duì)脫氮性能的影響，圖中紅色區(qū)域表示兩個(gè)因子之前呈正相關(guān)，藍(lán)色區(qū)域呈負(fù)相關(guān)，其中，Inf.CuNPs與Kuenenia呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，Eff.NO3與NRR呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，但與Eff. NH4、Eff.N2H4呈正相關(guān)趨勢(shì)，這些均與RDA分析結(jié)果相吻合；另外Inf.CuNPs與抗銅基因CusABCF、CusSR、CopBZ、PcoBCD均呈正相關(guān)關(guān)系，表明隨著納米銅濃度逐漸增加，其抗銅機(jī)制也在不斷增強(qiáng)。
4 研究結(jié)論
厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮能力在5.0 mg/L的納米銅含量脅迫作用下的30天里幾乎被完全剝奪，同時(shí)厭氧氨氧化細(xì)菌Ca. Kuenenia的含量從29.59%降低到17.53%；在恢復(fù)期中，與抗銅機(jī)制相關(guān)的Cus、Cop與Pco系統(tǒng)卻顯著富集，消除多余的胞內(nèi)銅；而厭氧氨氧化的脫氮能力也在銅的不斷流逝中完全恢復(fù)；這充分表明了厭氧氨氧化微生物在納米銅脅迫下具有的高敏感性、抗性以及恢復(fù)能力；因此，納米金屬對(duì)于厭氧氨氧化微生物的潛在影響更加值得我們?nèi)リP(guān)注。
參考文獻(xiàn)
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(diǎn)擊鏈接，查看原文獻(xiàn)：http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.069
