2017-08-16
最近，派森諾生物與西北農(nóng)林科技大學合作，在《RSC Advances》發(fā)表文章（影響因子3.289），揭示了碳氮比在氨氧化系統(tǒng)長期處理污水過程中的重要性，以及不同碳氮比對氨氧化菌群的多樣性組成譜變化的影響。
研究背景
厭氧氨氧化是指在缺氧條件下以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，將氨轉化為N2的生物脫氮過程，主要被應用于氨富集的污水處理工藝中。它由一群高度復雜的原核菌群構成，其中細菌占主導地位。厭氧氨氧化細菌被發(fā)現(xiàn)于反硝化反應器中，它們主要是由Plantomycete門組成，共有6個屬。由于厭氧氨氧化菌生長速率很緩慢，并且對環(huán)境條件很敏感，因此厭氧氨氧化微生物的應用并不廣泛。厭氧氨氧化菌是自養(yǎng)菌，并有研究報道，有機碳的碳氮比（TOC/TN）是自養(yǎng)氨氧化和異樣氨氧化反應的關鍵所在，所以碳氮比（TOC/TN）是生物脫氮的關鍵因素。
研究目的
污水的排放對河流水質的影響日趨嚴重，為了更好地運用生物脫氮方法對污水進行處理，本研究從4個方面對SBR序列批式反應器系統(tǒng)進行探究：1、有機碳氮比（TOC/TN）對有機氨氧化菌的生長速率及生物活性的影響；2、有機氨氧化細菌在不同TOC/TN比下對氨氧化過程的重要度；3、脫氮速率與相關功能基因之間的定量關系；4、厭氧氨氧化菌群的多樣性與不同TOC/TN比的關系。通過這4個方面的研究，旨在闡明TOC/TN比在厭氧氨氧化系統(tǒng)對污水處理的長期作用中，對該過程的影響以及氨氧化菌群結構的多樣性變化。
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V3-V4區(qū)測序
實驗對象：SBR反應器中的活性污泥
實驗設計：為研究氨氧化系統(tǒng)對污水處理的長期作用，取900 ml的種子污泥，接種于新的SBR系統(tǒng)中，進行為期140天的長期反應。將140天分為6個階段，第一階段1~62天為適應期，在適應期過后，將乙酸鹽和丙酸鹽的混合溶液加入到反應器中保持每個階段不同的TOC/TN比；在每個階段的最后時刻，取SBR反應器中0.5 g污泥用于DNA的提取及后續(xù)測序。新的SBR系統(tǒng)的工作體積為2.6 L，工作時間為12小時。每個階段氨和亞硝酸的流入濃度以及TOC/TN比的具體數(shù)值見下表：
研究結果
對5個樣本進行高通量測序，獲得14,505~21,586條序列，5個樣本在97%的序列相似度水平歸并為1112~1750個OTU，共包含個15細菌門和144個屬。其中，Planctomycetes、Proteobacteria、Chloroflexi、Chlorobi為優(yōu)勢門。
在不同TOC/TN比下， SBR反應器系統(tǒng)中污泥進行短程厭氧氨氧化反應，動力學結果表明在TOC/TN等于0.20時厭氧氨氧化菌的生長速率最大（0.1236 d-1）；并且，當TOC/TN在0.05~0.61之間時，Ca. Brocadia sinica 的生長速率和氨氧化活性都較高。
對SBR系統(tǒng)進行長期污水處理的效果進行檢測，發(fā)現(xiàn)在I~III階段中SBR的脫氮效率及脫氮速率隨著時間有少許降低，但是總體維持在較高水平；而進入IV階段后，脫氮效率脫氮速率則明顯降低；進入恢復期，加入了高濃度的氨氧化菌污泥后，脫氮效率脫氮速率又有明顯回升。
在II~IV階段，自養(yǎng)氨氧化和有機營養(yǎng)型氨氧化是主要的脫氮途徑，隨著時間的推移，脫氮比例有少許減少（從76.03%到76.48%）；但是進入第V階段后，氨氧化途徑的脫氮比例顯著下降（2.42%），而反硝化途徑的脫氮比例明顯增加。
熒光定量PCR結果顯示，從階段I到IV氨氧化細菌的AOB基因豐度逐步升高，而進入第V階段后，AOB基因豐度明顯下降，說明AOB基因對TOC/TN的耐受范圍在0.1~0.4之間。
逐步回歸方程分析結果表明，在不同的TOC/TN比下，厭氧氨氧化、反硝化及有機氨氧化能同時存在于厭氧氨氧化SBR系統(tǒng)中，三者的共存使得脫氮和有機碳的去除可同時進行。
通過對NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TOC的轉化效率進行分析，得到可視化的氮素轉化通路圖，由通路圖可知具有AOA、AOB、nrfA及厭氧氨氧化功能基因的細菌是NH4+-N轉化的關鍵菌群；在TOC/TN≤0.1，即在第I~II階段時，厭氧氨氧化是NO2--N轉化的主要途徑，而在TOC/TN≥0.2（第III~V階段）時，NO2--N轉化的主要途徑是反硝化；在TOC/TN≥0.2時，nrfA和脫硝是NO2--N和NO3--N主要轉化途徑。
每個階段污泥樣品中菌群的多樣性結果顯示，Planctomycetes平均相對豐度為31.25%，另外3個優(yōu)勢門分別是Proteobacteria（22.22%）、Chloroflexi（17.93%）及Chlorobi（11.78%）
將27個優(yōu)勢屬進行菌群——功能一致性分析，由熱圖可視化結果可知在與厭氧氨氧化功能相關的3種屬中，Ca. Brocadia sinica的相對豐度從第I~IV階段逐漸升高，但是進入第V階段后，其豐度有所下降；Ca. Jettenia asiatica在第II~III階段中相對豐度有小幅增加，但是進入第5階段后顯著下降；Ca. Kuenenia stuttgartiensis不存在于第I階段中，但在低TOC/TN比中具有一定豐度，并且在第IV、V階段中它的相對豐度也顯著降低。
總結
本研究通過動力學分析、熒光定量PCR以及高通量測序等方法，將短程氨氧化和長期氨氧化分析結果相結合，闡明不同TOC/TN比對長期運用厭氧氨氧化系統(tǒng)進行污水處理的影響，為SBR污水處理工藝中TOC/TN比的控制提供有力的科學依據(jù)！
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：
Shu D, He YL, Yue H, Gao JL, Wang QY, Yang SC (2016) Enhanced long-term nitrogen removal by organotrophic anammox bacteria under different C/N ratio constraints: quantitative molecular mechanism and microbial community dynamics. RSC Adv 6:87593–87606
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