2017-11-24
最近，派森諾生物分別與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、東華大學(xué)合作，在《Bioresource Technology》（影響因子：5.651）連發(fā)五篇文章，解析生物反應(yīng)器和人工濕地污泥等微生態(tài)體系中，微生物群落的結(jié)構(gòu)變化規(guī)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(yǎng)元素，可通過好氧堆肥實現(xiàn)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(wěn)定腐殖質(zhì)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(huán)境條件、原材料性能和工藝參數(shù)都會影響微生物分布、活性和數(shù)量變化。
研究目的：
探究真菌群落在靜態(tài)有氧堆肥過程中隨時間和深度的變化規(guī)律。
研究方法：
測序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組真菌ITS1區(qū)測序
實驗對象：靜態(tài)有氧堆肥樣本
樣本數(shù)量：63
實驗設(shè)計：
調(diào)節(jié)堆肥物料（蘑菇殘余物和雞糞按1：1混勻）濕度為約50%，靜態(tài)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(fù)，用于后續(xù)測序分析。
研究結(jié)果：
對不同時間和階段的堆肥樣品進行高通量測序，結(jié)果如下：
分類等級樹圖
堆肥四個階段微生物多樣性指數(shù)
Cytoscape 網(wǎng)絡(luò)可視化：四個階段優(yōu)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，且受深度影響。
總結(jié)：
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(tài)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(fā)酵底物對兩級固定化反應(yīng)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(chǎn)生的一種副產(chǎn)品。生產(chǎn)4噸糖就會產(chǎn)生1噸糖蜜，1噸糖蜜發(fā)酵可產(chǎn)生0.2噸乙醇。但是糖蜜發(fā)酵會產(chǎn)生大量的高鹽、高氨的廢水，對環(huán)境危害大，且限制了沼氣的生成。
厭氧發(fā)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(wěn)定化，同時伴有甲烷和CO2產(chǎn)生。有研究表明，兩級固定床反應(yīng)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(yè)應(yīng)用。因此，研究糖蜜對反應(yīng)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(yīng)器和微生物群落的影響；
（2）探究糖蜜作為甲烷生產(chǎn)原料的潛力。
研究方法：
測序技術(shù)：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(yīng)器顆粒活性污泥
樣本數(shù)量：2
實驗設(shè)計：
反應(yīng)器運行溫度恒定35℃，初始階段持續(xù)約30天，逐漸增加有機負荷直至甲烷產(chǎn)生量穩(wěn)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(yīng)器再次運行穩(wěn)定。取運行154 d的反應(yīng)器顆粒活性污泥用于測序，顆粒活性污泥樣本取自反應(yīng)器底部污泥和活性炭纖維。
研究結(jié)果：
對運行154 d的反應(yīng)器顆粒活性污泥進行高通量測序，結(jié)果如下：
門水平菌群組成
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(chǎn)物供產(chǎn)甲烷菌利用。
總結(jié)：
采用固定床反應(yīng)器處理糖蜜，隨著有機負荷（OLR）的提高，兩級系統(tǒng)顯示出更優(yōu)越的性能（如有機質(zhì)和COD的去除，沼氣的產(chǎn)生）；結(jié)合高通量測序分析和qPCR分析，揭示了反應(yīng)器不同階段微生物種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量的動態(tài)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(yǎng)分去除和菌群組成
研究背景：
銀納米粒子（AgNPs）作為常見的工程納米材料廣泛用于日用品行業(yè)，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(huán)境中，造成嚴重的環(huán)境污染。人工濕地（CWs）作為一種傳統(tǒng)的污水處理生態(tài)系統(tǒng)，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(chǎn)生負面影響。因此，研究不同環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)中AgNPs的命運和行為，不僅有助于完善風(fēng)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(jié)構(gòu)的變化；
（3）探索AgNPs在人工濕地系統(tǒng)的命運和行為。
研究方法：
測序技術(shù)：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(qū)測序
實驗對象：人工濕地土壤樣本
樣本數(shù)量：6
實驗設(shè)計：
待人工濕地培養(yǎng)26 d，穩(wěn)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(xù)運行，取2016年7月2日的土壤樣本用于測序反應(yīng)，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(jié)果：
對運行穩(wěn)定的人工濕地土壤樣本進行高通量測序，結(jié)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(jié)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(yōu)勢菌。
總結(jié)：
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(guān)。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(jié)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(yōu)勢菌。這些結(jié)果為評估AgNPs的生態(tài)效應(yīng)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(yǎng)元素。浮式濕地在水體污染凈化、生境改善和生態(tài)修復(fù)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(jié)構(gòu)和生物脫氮機理。
研究方法：
測序技術(shù)：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(qū)測序
實驗對象：改良型浮式濕地的污泥樣本
樣本數(shù)量：6
實驗設(shè)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(yǎng)浮式濕地（AEFTW）：添加硫代硫酸鹽作為電子供體
異養(yǎng)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(jié)果：
對不同濕地的污泥樣本進行高通量測序，結(jié)果如下：
三種濕地菌群組成分析
RDA分析
高通量測序結(jié)果顯示，電子供體誘導(dǎo)微生物結(jié)構(gòu)的明顯轉(zhuǎn)變，Dechloromonas、硫桿菌、硝化螺菌屬分別成為HEFTW，AEFTW和EFTW樣品中最優(yōu)勢的菌。結(jié)合RDA分析，揭示了電子供體以及其他環(huán)境因子與菌群組成之間的相關(guān)性。
總結(jié)：
研究了三種新型濕地系統(tǒng)：自養(yǎng)浮式濕地（AEFTW），異養(yǎng)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(jié)合高通量測序結(jié)果，揭示了電子供體對微生物種群結(jié)構(gòu)的影響以及環(huán)境因子與菌群組成之間的相關(guān)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(jié)合去除無機氮
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(fā)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受環(huán)境因子影響。
生物膜電極反應(yīng)器（BER）的反硝化脫氮技術(shù)是將電化學(xué)法與生物膜法相結(jié)合新興水處理技術(shù)。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(yōu)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(guān)于BER和CW組合處理廢水的報道微乎其微，研究它們結(jié)合使用性能對指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)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(shù)：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(qū)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(shù)量：2
實驗設(shè)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(diào)節(jié)）對人工濕地性能的影響；待實驗結(jié)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(yīng)器組合使用示意圖
研究結(jié)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(jié)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(jié)合反應(yīng)器（CW-BER）提高了自養(yǎng)型反硝化菌（硫桿菌屬）的相對豐度。
總結(jié)：
在人工濕地中，自養(yǎng)和異養(yǎng)菌的分布依賴于反應(yīng)器的運行條件。人工濕地與生物膜電極結(jié)合反應(yīng)器（CW-BER）提高了自養(yǎng)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(yīng)器的影響，結(jié)果表明，微電場對硝酸鹽的去除具有顯著正效應(yīng)，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(yīng)器和人工濕地污泥等微生態(tài)體系進行了定性定量分析，揭示了不同時期的微生態(tài)體系中，微生物群落的動態(tài)分布規(guī)律，以及不同條件調(diào)控下的群落結(jié)構(gòu)變化，為反應(yīng)器等裝置在實際工程中的應(yīng)用提供了微生態(tài)學(xué)依據(jù)。
