2017-06-19
繼在《RSC Advances》發(fā)表文章探討碳氮比在氨氧化系統(tǒng)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(nóng)林科技大學(xué)合作，在《Applied Microbiology and Biotechnology》（影響因子3.420）上發(fā)表文章，揭示了不同F(xiàn)e3+離子濃度下，厭氧氨氧化污水處理系統(tǒng)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(yīng)器的簡稱，是一種按間歇曝氣方式來運(yùn)行的活性污泥污水處理系統(tǒng)。它的主要特征是有序和間歇的運(yùn)行操作，并且無污泥流回系統(tǒng)。在SBR系統(tǒng)中，核心部分就是厭氧氨氧化菌生物除氮技術(shù)，它們具有高效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(jié)合，對(duì)污水進(jìn)行除氨脫氮。
研究目的
SBR系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛，但是污水中的重金屬、有機(jī)物、PH值以及溶氧量限制了厭氧氨氧化菌的生長速率。為了解決這些問題，讓厭氧氨氧化生物的除氮能力在SBR系統(tǒng)中得到最大化的利用，本研究從4個(gè)方面v對(duì)SBR系統(tǒng)進(jìn)行探究：
1. 不同F(xiàn)e3+濃度對(duì)厭氧氨氧化菌生長速率和活性的影響；
2. 不同F(xiàn)e3+濃度對(duì)SBR系統(tǒng)脫氮效果的影響；
3. SBR系統(tǒng)中氮、鐵循環(huán)相關(guān)功能基因間的關(guān)系；
4. 不同F(xiàn)e3+濃度對(duì)氮、鐵循環(huán)相關(guān)菌群組成和多樣性的影響。
通過以上4個(gè)方面的研究，旨在說明SBR工藝中，F(xiàn)e3+濃度對(duì)該過程的影響以及氨氧化菌群組成結(jié)構(gòu)和多樣性的變化。
研究方法
測序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測序平臺(tái)
測序模式：微生物組16S rRNA基因V3-V4區(qū)測序
實(shí)驗(yàn)對(duì)象：SBR反應(yīng)器中的活性污泥
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：為研究ASBR系統(tǒng)對(duì)污水處理的長期作用，取900ml的種子污泥，接種于新的SBR系統(tǒng)中，進(jìn)行為期120天的長期馴化反應(yīng)。將120天分為6個(gè)階段，第一階段1~20天為適應(yīng)期，不加入Fe3+離子；在適應(yīng)期過后，將Fe3+-EDTA原液加入到反應(yīng)器中保持每個(gè)階段不同的Fe3+離子濃度；在每個(gè)階段的最后時(shí)刻，取SBR反應(yīng)器中0.5g污泥用于菌群總DNA的提取及后續(xù)測序。新的SBR系統(tǒng)的工作體積為2.6L，工作時(shí)間為6小時(shí)。每個(gè)階段氨、亞硝酸以及Fe3+流入濃度具體數(shù)值見下表：
研究結(jié)果
對(duì)ASBR系統(tǒng)分別進(jìn)行短程和長期研究，并對(duì)長期反應(yīng)中6個(gè)階段的污泥樣本（共6個(gè)樣品）進(jìn)行高通量測序，獲得28,306~33,426條高質(zhì)量序列。
在不同F(xiàn)e3+濃度下，ASBR系統(tǒng)中污泥短程反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，在Fe3+等于0.10mM時(shí)厭氧氨氧化菌的生長速率最大（0.1709 d-1）；當(dāng)Fe3+濃度在0.04~0.10mM之間時(shí)，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(xù)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(tǒng)長期污水處理的效果檢測發(fā)現(xiàn)，在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(jìn)入VI階段后，脫氮效率和脫氮速率明顯降低，但還是高于第I階段，說明厭氧氨氧化菌對(duì)高Fe3+濃度具有一定的耐受能力。
熒光定量PCR結(jié)果顯示，6個(gè)階段中厭氧氨氧化菌的絕對(duì)豐度在3.36 × 108和2.12 × 109拷貝數(shù)/g之間，在階段V中絕對(duì)豐度最高，進(jìn)入第VI階段后明顯下降；通過計(jì)算16s rRNA基因與功能基因的皮爾森相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌與（narG+napA）、nrfA、nosZ及FeRB菌群都具有顯著正相關(guān)。
對(duì)6個(gè)階段污泥樣品進(jìn)行高通量測序，其中優(yōu)勢物種有分別Chloroflexi、Planctomycetes、Proteobacteria、Candidatus Brocadia、Kuenenia；PCoA結(jié)果顯示階段II~IV中的厭氧氨氧化菌群的組成結(jié)構(gòu)更為相似，階段V和VI更為相似，且與第I階段差異較大。
每個(gè)階段污泥樣品中菌群組成譜分析顯示，在6個(gè)階段中Chloroflexi都是最主要優(yōu)勢門，平均相對(duì)豐度為36.54%，另外3個(gè)優(yōu)勢門分別是Planctomycetes（32.26%）、Proteobacteria（16.95%）、Chlorobi（5.57%）
將45個(gè)優(yōu)勢屬進(jìn)行菌群——功能一致性分析，由熱圖可視化結(jié)果可知，45個(gè)優(yōu)勢屬中26個(gè)具有已知功能，其中4個(gè)屬于厭氧氨氧化菌，7個(gè)具有反硝化功能，另外還有19個(gè)分類單元沒有預(yù)測到已知功能類群。
通過PCoA的結(jié)果，將6個(gè)樣品分為A、B、C三組，對(duì)菌群代謝途徑中各個(gè)子代謝通路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示氨氧化菌、硫氧化菌、硫還原菌、硝酸鹽還原菌、反硝化菌等在B、C中豐度更高。
總結(jié)
在以前研究的基礎(chǔ)上，本研究同樣運(yùn)用動(dòng)力學(xué)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F(xiàn)e3+濃度對(duì)ASBR系統(tǒng)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(xué)指導(dǎo)！
本研究的測序和數(shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
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
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