2019-04-04
文案 | 微生物組產品線
近期，上海派森諾生物分別與云南大學、東南大學、北京工業大學合作，利用高通量測序技術，在污水治理菌群結構研究中取得重要研究成果，研究論文相繼發表于《Bioresource Technology》（影響因子5.807）。
云南大學：有機/無機介質生物過濾器（BF）污水處理效果評價和菌群結構研究?
文章索引
Junjun Chang et al. Treatment of heavily polluted river water by tidal-operated biofilters with organic/inorganic media: Evaluation of performance and bacterial community. Bioresource Technology 279 (2019): 34–42
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419300732
研究目的
? 評價不同介質對不同淹沒/排水時間比的潮汐式BFs污水處理效果的影響；
? 探究不同基質對BFs菌群結構的影響。
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V3V4區測序
? 實驗對象：潮汐式生物過濾器
? 實驗設計：
四個實驗室規模高密度聚乙烯材質的圓柱形容器用來做生物過濾器，過濾器中的四種介質分別為無機材料陶粒、火山石和有機材料纖維載體、生物球。系統采用潮汐式運行模式，注水/排水（F/D）時間比設置為3種：16/8 h、12/12 h、8/16 h。生物過濾器反應示意圖如圖1所示。為了更好地評價基質對污水處理性能的影響，在實驗過程中采用合成廢水來降低進水質量的變異性并發展穩定的微生物群落。
BFs穩定運行后，每隔1-3天收集每個處理器的出水樣本，并在24小時內進行分析。每個處理器下收集10 - 15個樣本，檢測系統的處理性能。檢測指標包括NH4+-N、NO2--N、亞硝酸鹽（NO2--N）、總氮（TN）、化學需氧量COD和總磷（TP）等。
實驗結束后將生物處理器上中下3層介質進行混合，作為某一介質處理器的代表樣本進行微生物膜的收集并通過高通量測序解析各樣本的微生物組成。
圖：不同介質生物過濾器運行示意圖
研究結果
? 不同介質生物過濾器的污水處理效果
通過水質指標檢測發現陶粒和火山石為介質的生物過濾器對銨和磷的去除能力更強，而纖維載體為介質的生物過濾器對總氮的去除了能力更強。注水/排水（F/D）時間比設置為16/8 h對污水的處理效果更好。
圖：進水和出水流中NH4+-N、NO2--N、NO2--N、TN、COD和TP的濃度和去除效率
? 微生物群落結構分析
通過高通量測序發現在有機介質上生長的脫氮微生物相對豐度遠高于無機介質中的脫氮微生物。
表：不同介質生物過濾器中脫氮相關菌屬的相對豐度（%）
東南大學：銀納米粒子對人工濕地系統性能和微生物群落結構的影響
文章索引
Juan Huang et al. Fate of silver nanoparticles in constructed wetlands and its influence on performance and microbiome in the ecosystems after a 450-day exposure. Bioresource Technology 281 (2019): 107–117
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419301920
研究目的
? 探究不同濃度的銀納米粒子AgNPs對人工濕地去污性能的影響；
? 通過AgNPs對微生物群落結構的影響深入理解AgNPs對人工濕地的影響。
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：垂直流人工濕地
? 實驗設計：
構建3個垂直流人工濕地，濕地系統包含4層：底部為10 cm厚的粗沸石顆粒層；中間為15 cm厚的礫石層；上層為15 cm厚的小礫石層；表層為20 cm厚的土壤層。三個人工濕地（CW1-3）均種植黃菖蒲，并在濕地中注入合成廢水。CW2和CW3 的銀納米粒子AgNPs處理濃度分別為50和200 μg/L，CW1作為空白對照。
CWs系統的監視分為三個階段：0-100 d、180-300 d、330-450 d。在暴露試驗中，所有濕地均穩定運行，同時采集土壤和植物樣本，分析CWs中AgNPs的分布規律，并測定進水和出水流的化學需氧量COD、總氮TN、NH4+-N和總磷TP的含量，評估銀納米粒子對人工濕地去污效果的影響。此外，在長期暴露試驗結束時，通過高通量測序技術對不同AgNPs濃度下CW的土壤（S1-3）和礫石(G1-3)樣品進行微生物群落分析。
研究結果
? AgNPs處理對人工濕地去污性能的影響
AgNPs在一定程度上會輕微地改變人工濕地系統CWs中氮和磷的去除效率，但不會顯著影響系統的運作。
圖：垂直流人工濕地不同土層中 COD、TN、NH4+-N和TP的去除效率
土壤層為AgNPs的主要積累層。
圖：AgNPs在CW系統中的分布
? AgNPs對微生物群落結構的影響
高通量測序發現AgNPs會改變優勢菌屬和關鍵功能菌群如PAOs、GAOs、DNPAOs、AOB、NOB、DNB和 SRB的相對豐度。AgNPs對生態系統的影響不可忽視。
圖：相對豐度top20的菌屬在不同樣本中的分布
表：屬水平主要功能物種的歸類
北京工業大學：短程消化內源反硝化除磷系統（PNEDPR-SBR）的改良—平衡磷和糖原積累微生物間的競爭
文章索引
Ji Zhao et al. Improvement of partial nitrification endogenous denitrification and phosphorus removal system: Balancing competition between phosphorus and glycogen accumulating organisms to enhance nitrogen removal without initiating phosphorus removal deterioration. Bioresource Technology 281 (2019) :382–391
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419303177
研究目的
? 縮短PNEDPR厭氧反應時間（AnRT）和缺氧反應時間（AxRT）；
? 平衡PAO-GAO（磷積累生物和糖積累生物）的組成。
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V3V4區測序
? 實驗對象：PNEDPR-SBR污泥反應器
? 實驗設計：
構建一個實驗室規模的PNEDPR-SBR污泥反應器，運行模式為A/O/A循環，運行條件如下表所示：
圖：系統運行模式圖
研究結果
? 運行效率的改良
通過縮短AnRT 和AxRT，水力停留時間HRT 縮短至 17.5 h，而氮承載率NLR提高至 0.084 kgN/(m3·d)。
圖：PNEDPR-SBR系統營養物質去除效果
? PAO-GAO組成的平衡
有氧階段前排出富磷的上清液，可以在不影響去磷的前提下平衡PAO-GAO競爭，提高氮的去除效率。
? 關鍵功能微生物的解析
Candidatus_Competibacte為內源反硝化進程中的主導物種。Candidatus_Accumulibacter和Tetrasphaera能夠確保磷的去除。
表：PNEDPR-SBR系統中的關鍵功能菌屬
總結
以上三篇《Bioresource Technology》典型案例，分別以特定的污水處理系統如潮汐式生物過濾器、垂直流人工濕地、SBR污泥反應器為研究對象，一方面從污水處理系統的進水流和出水流的質量指標評估特定處理對污水處理系統的效率影響，另一方面采用高通量測序手段探究污水處理器的微生物菌群尤其是功能性微生物群落的組成以深入了解微生物對污水處理系統的影響。
以上研究的高通量測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
