2018-06-28
正文
最近，派森諾生物再次與西北農林科技大學合作，在《Bioresource Technology》（影響因子：5.807）發表論文，探究了在厭氧氨氧化耦合反硝化（SAD）過程中，是否優勢微生物與稀有類群在對IC/NH4+-N脅迫的反應中呈現出截然不同的生物多樣性模式，還是存在差異的潛在群落組裝機制。
研究背景
近幾十年來，生物反硝化工藝正處于由以下兩個方面推動的重大變革時期。一方面，有必要對過去30年建成的一些污水處理廠進行改造。另一方面，日益嚴格的廢水營養指南的推動正在多個地方實施。因此，工業和城市污水處理廠（WWTPs）的能源中性和資源回收存在主要需求。厭氧氨氧化（anammox）過程已經在許多WWTPs工程中成功運行，因為它們在反硝化方面具有成本效益和能源效率。在這些過程中，厭氧氨氧化耦合反硝化（SAD）過程已經演變為解決能源自給自足，N2O排放和碳足跡的策略。然而，厭氧氨氧化細菌對環境因素（包括pH，溶解氧（DO）和C/N比等）的敏感性一直是SAD過程主流應用的限制因素。
研究目的
探究以下三個問題：
（1）在不同的IC/NH4 +-N比率脅迫下，優勢和稀有類群是否存在不同模式？
（2）優勢和稀有類群共同作用是怎么樣的？影響優勢和稀有類群動態的主要驅動因素是什么？
（3）哪些細菌亞群落是氮轉化的關鍵調控因子？
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V3-V4區測序
實驗對象：已運行4年的實驗室規模的測序間歇反應器（SBR）中，每個階段結束時采集5個污泥樣本，混合為1個。總共7期共產生7個樣本。
研究結果
1、優勢和稀有亞群落的異質性
經過質量過濾和拼接全部污泥樣品生成了149,108個細菌16S V3-V4高質量序列，然后根據97%相似度進行劃分，得到2495個OTU。優勢（>0.05%）和稀有（<0.001%）分類水平分別包含116和822個OTU，分別占OTU總數的4.6%和32.9%。瞬時分類單元（介于優勢和稀有物種之間）由1557個OTU組成，占OTU總數的62.4％。從群落組成和動態的角度來看，優勢、稀有和瞬時的群落組成大不相同。另外，觀察到的優勢分類單元在所有樣品都存在，而稀有分類單元只在來自第IV階段、第V階段和第VII階段的樣本中存在。通過Wilcoxon秩和檢驗，稀有的和優勢的亞群落在IC/NH4+-N比值約束有顯著差異（P < 0.05）。在瞬時分類單元和整個群落中，Proteobacteria，Chloroflexi和Planctomycetes是SAD系統中的優勢門，這些門可能對反硝化起關鍵作用。這些結果表明，不同生存策略已被優勢、稀有和瞬時分類單元所采用。
圖1 在不同的處理階段，不同亞群落和整個群落中的門的分布
2、環境因素與微生物群落之間的聯系
基于未加權UniFrac距離矩陣，PCoA的結果表明，優勢和稀有亞群落之間的大部分差異可以歸因于不同的IC/NH4+-N比值。與優勢亞群落和整個群落相比，稀有亞群落具有不同的生物多樣性模式。此外，基于加權UniFrac距離，NMDS結果顯示，不同的IC/NH4+- N比值對分組模式有較大的影響。觀察到，低IC/NH4+-N比值（0-0.4）和高IC/NH4+-N比值（0.7-1.3）的樣本分別在優勢的分類單元和整個群落中聚類更近。基于Spearman相關性的Mantel 檢驗結果進一步證實，優勢亞群落（R2 = 0.832，P < 0.001）相比于稀有亞群落（R2 = 0.658，P < 0.001）和整個群落更相似。鑒于第IV至第VII階段的NO2 - N去除效率，因此得出結論認為，稀有亞群落限制了分布，并對NO2 - N的去除作出了重大貢獻。RDA分析結果表明，IC/NH4+-N比值是形成優勢亞群落的主要因素。COD是形成稀有亞群落的主要因素。
圖2 屬水平共生網絡圖
3、不同細菌亞群落的共生模式
優勢和稀有亞群落呈現出鮮明的共現模式，暗示了它們在非生物脅迫下不同的生存策略。優勢和瞬時亞群落之間內部聯系大于瞬時和稀有亞群落之間的聯系。優勢亞群落比稀有亞群落分布得更廣。稀有亞群落受到非生物脅迫的強烈負選擇，內共生模式的發生率較高。
4、氮循環的功能屬和關鍵基因
與同化硝酸鹽還原基因相關的nasA基因比nasB和nirA基因更優勢。至于反硝化基因，nirK，nosZ，norC，qnorB，nirS和nirD在第VII階段更優勢。包括narG，napA和nrfA等在內的所有功能基因在III-V階段具有較高的豐度。另外，與氨氧化有關的基因（amoB / C和hao）在V-VII期具有更高的豐度。KEGG分析顯示，III-VI階段（IC/NH4+-N比值為0.1-1.0）樣品具有更多的TCA循環(1.01-1.35%)和氮代謝(2.60-2.84%)的功能基因。與其他階段相比，來自第VII階段的樣品具有更多的脂肪酸代謝功能基因（0.057％），表明更高的IC/NH4+-N比進了這些異養微生物中的有機物質氧化。篩選出的屬，11個和12個功能屬分別獲得優勢和稀有的亞群落。這些功能屬在去氮和COD中起到關鍵作用。
圖3 氮循環功能基因預測
5、生態關聯和定量反應關系
SAD系統中的厭氧氨氧化生物質對非生物脅迫具有一定的抗性。厭氧氨氧化和DNRA是NH4+-N轉化的關鍵途徑。稀有分類單元是NH4+-N積累的關鍵調控因子，而大量分類單元是NH4+-N消耗的主要調控因子。
總結
在IC/NH4+-N比脅迫下，優勢和稀有的細菌具有不同的組合模式，環境因素對這兩個細菌亞群落有不同的影響。另外，Ca. Brocadia通常是優勢種，對IC脅迫具有較高的抗性。高IC/NH4+-N比（0.7-1.3）有利于HET、NIR、NAR和Ca. Jettenia，低IC/NH4+-N比（0-0.7）有利于AOB和NOB。稀有分類單元是NH4+-N積累和NO2--N消耗的關鍵調控因子。
文章索引：
Duntao Shu, Hong Yue, Yanling He, Gehong Wei (2018)Divergent assemblage patterns of abundant and rare microbial subcommunities in response to inorganic carbon stresses in a simultaneous anammox and denitrification (SAD) system .Bioresource Technology.257（2018）249-259
