2017-08-03
最近，派森諾生物與杭州師范大學合作，在《Bioresource Technology》（影響因子:5.651）發表文章，探究納米銅脅迫對厭氧氨氧化過程的長期影響。
1 研究背景
自二十世紀末以來，納米技術取得了突飛猛進的發展。目前，工程納米粒子（NPs）已被廣泛應用于諸多消費品和工業領域。例如，納米銅因其優良的導熱、導電以及殺菌性能在燃燒活性劑、紡織品、木材防腐產品等存在巨大價值。然而，在生產、儲存和使用它的過程中，不可避免地會向環境中排放。因此，納米金屬污染的環境風險已成為公眾關注焦點和研究熱點。
厭氧氨氧化作用即在厭氧（準確地說是缺氧，因為有亞硝酸鹽）條件下由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮氣的生物反應過程。厭氧氨氧化過程是目前最方便的生物脫氮過程，然而，納米金屬對于厭氧氨氧化過程的影響尚不可知，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厭氧氨氧化過程的長期影響。
2 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16S rRNA基因V4區測序
樣本來源：污泥樣本
實驗設計：首先，對厭氧氨氧化反應器的脫氮性能進行評估，并在隨后對其增加0.5 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L不同濃度的納米銅脅迫進行脫氮性能及恢復力評估。另外，利用高通量測序技術分析不同時期微生物群落的動態變化。最后，通過RDA冗余分析和Pearson相關性分析，對試驗指標與微生物群落的關系進行了評價。
3 研究結果
3.1 脫氮性能研究
在反應器中成功接種厭氧氨氧化顆粒后，反應器成功啟動，并顯示了良好的脫氮效率；隨后在實驗的31天加入納米銅進行脅迫反應，但從0.5 mg/L到1.0 mg/L濃度變化來看，并沒有顯著影響厭氧氨氧化過程；直到將納米銅濃度增加到5.0 mg/L后，反應器的脫氮性能隨著時間變化迅速惡化，在第72天，反應器中的NH4+-N與NO2—N迅速增加，脫氮效率急劇降低；而在除銅恢復過程中，厭氧氨氧化反應器的脫氮性能逐漸恢復.
3.2 微生物群落組成與多樣性研究
用于檢測微生物多樣性菌落的樣本分別采集于30、60、90、170天，從分析數據結果可以看出，菌群豐富度指數與多樣性指數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相對豐度降低，Acidobacteria, [Thermi], Bacteroidetes, BRC1, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes與FBP相對豐度增加，而Armatimonadetes, Actinobacteria, OP11與 Firmicutes相對豐度在納米銅濃度低于1.0 mg/L是呈增加趨勢，但隨著濃度增加至5.0 mg/L時呈減少趨勢.
3.3 功能性物種與代謝網絡差異研究
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，其相對豐度由29.56%降至17.53%，并在恢復期中豐度重新增長至23.37%；同時RDA分析結果，揭示了反應器在30、60、90、170天的菌群結構與環境因子間的作用情況，從菌群結構來看，當納米銅濃度增加至1.0 mg/L時，菌群結構稍有變化，但當濃度增至5.0 mg/L時，菌群結構變化隨之擴大，雖然170天時，反應器脫氮效果已經基本恢復，但菌群結構已經發生顯著變化，綜上可以看出納米銅對厭氧氨氧化過程的影響之大；
3.4 Cu相關代謝功能預測分析
基于PICRUSt軟件預測菌群代謝功能預測，從分析結果中找到與銅相關基因，并用STAMP軟件分別分析反應器30天與90天區別以及30天與170天區別；從結果可以看出，當納米銅濃度增加至5.0 mg/L濃度時，反應器中與銅抗性相關的基因表達顯著上調；雖然在170天時，反應器的脫氮能力完全恢復，但其大部分的銅抗性蛋白仍處于高表達狀態.
3.5 Pearson相關性分析納米銅對脫氮性能影響
Pearson相關性分析揭示納米銅對脫氮性能的影響，圖中紅色區域表示兩個因子之前呈正相關，藍色區域呈負相關，其中，Inf.CuNPs與Kuenenia呈負相關趨勢，Eff.NO3與NRR呈負相關趨勢，但與Eff. NH4、Eff.N2H4呈正相關趨勢，這些均與RDA分析結果相吻合；另外Inf.CuNPs與抗銅基因CusABCF、CusSR、CopBZ、PcoBCD均呈正相關關系，表明隨著納米銅濃度逐漸增加，其抗銅機制也在不斷增強。
4 研究結論
厭氧氨氧化反應器的脫氮能力在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，同時厭氧氨氧化細菌Ca. Kuenenia的含量從29.59%降低到17.53%；在恢復期中，與抗銅機制相關的Cus、Cop與Pco系統卻顯著富集，消除多余的胞內銅；而厭氧氨氧化的脫氮能力也在銅的不斷流逝中完全恢復；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、抗性以及恢復能力；因此，納米金屬對于厭氧氨氧化微生物的潛在影響更加值得我們去關注。
參考文獻
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.
點擊鏈接，查看原文文獻：http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.069
