北大 | Water Research：固相反硝化系統(tǒng)中微生物結(jié)構(gòu)及代謝途徑的宏基因組分析：基于污水處理廠廢水深度脫氮的中試研究

編譯：微科盟靜謐，編輯：微科盟木木夕、江舜堯。
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導(dǎo)讀由于農(nóng)業(yè)施肥的不合理使用和生活污水、工業(yè)污水、養(yǎng)殖污水、農(nóng)田徑流的直接排放，大量氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被排入自然水體，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前，污水處理廠被認(rèn)為在控制污染和改善水質(zhì)方面起著舉足輕重的作用。然而，經(jīng)過(guò)生物處理后的污水處理廠廢液中仍有約10-15 mg L?1的氮?dú)埩?，如果不經(jīng)任何深度處理直接排放，可能導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化。因此，迫切需要有效的污水處理廠廢液深度脫氮技術(shù) 。本文：NO-N去除率更高（96.58%）、DOC釋放量（9.00±4.16 mg L?1）和NH-N積累量（0.37±0.32 mg L?1）更低。宏基因組分析證實(shí)了兩個(gè)系統(tǒng)間微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異，并發(fā)現(xiàn)了四種厭氧氨氧化菌的存在。與PHBV系統(tǒng)相比， PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)的利用降低了產(chǎn)NH4-N相關(guān)酶編碼基因的相對(duì)豐度，增加了參與厭氧氨氧化相關(guān)酶編碼基因的相對(duì)豐度，這有助于降低廢液中的NH-N的含量。另外，在PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中，產(chǎn)生電子的糖酵解代謝過(guò)程的酶編碼基因的相對(duì)豐度更高。在PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中，多種木質(zhì)纖維素酶編碼基因顯著富集，保證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定供碳和連續(xù)運(yùn)行。本研究結(jié)果有望為固相反硝化技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。論文ID
譯名：固相反硝化系統(tǒng)中微生物結(jié)構(gòu)及代謝途徑的宏基因組分析：基于污水處理廠廢水深度脫氮的中試研究
【北大 | Water Research：固相反硝化系統(tǒng)中微生物結(jié)構(gòu)及代謝途徑的宏基因組分析：基于污水處理廠廢水深度脫氮的中試研究】期刊：Water Research
IF：9.130發(fā)表時(shí)間：2021.3.17
本研究在寧波南區(qū)污水處理廠，以PHBV和PHBV-鋸末共混合物為生物膜載體和碳源，構(gòu)建固相反硝化系統(tǒng) 。具體構(gòu)建方法為：PHBV和PHBV-鋸末共混合體分別與8-10 mm的陶粒以3:7的體積比混合均勻，將混合后的基質(zhì)填充于高100 cm的多孔支撐盤(pán)上，以此建立了兩個(gè)直徑20 cm、高140 cm的圓柱形聚氯乙烯固相反硝化系統(tǒng) 。該系統(tǒng)啟動(dòng)階段，將污水處理廠廢液與二沉池活性污泥混合后，以1:1的體積比進(jìn)入固相反硝化系統(tǒng) ，進(jìn)行生物膜培養(yǎng) 。之后每天對(duì)固相反硝化系統(tǒng)的水質(zhì)進(jìn)行分析， 5天后，廢液中的NH4-N濃度分別低于1.0和2.0 mg L?1時(shí) ，標(biāo)志著固相反硝化系統(tǒng)正式啟動(dòng) 。該系統(tǒng)共計(jì)連續(xù)運(yùn)行150天， 1-76天固相脫氮系統(tǒng)的水力停留時(shí)間（HRT）為3h ， 77-150天將HRT降至1.5h ，以評(píng)估脫氮性能的持久性。測(cè)得污水處理廠廢液的溶解氧（DO）和pH值分別為4.1-8.0 mg L?1和5.68-6.95 。每?jī)商觳杉淮芜M(jìn)水和出水水樣。通過(guò)0.45μm醋酸纖維素膜過(guò)濾后，分別對(duì)水樣中的NH4-N、溶解有機(jī)碳（DOC）等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行150天時(shí) ，分別從PHBV和PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中的5個(gè)采樣點(diǎn)采集生物膜樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)取2g均勻混合成一個(gè)樣本，分別命名為P和PS 。每個(gè)樣本有三個(gè)生物學(xué)重復(fù) 。提取相應(yīng)樣品的DNA進(jìn)行宏基因組測(cè)序及分析，以進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝途徑的研究。結(jié)果與討論
不同HRT下的脫氮和DOC釋放性能見(jiàn)表1 。 HRT為3h和1.5h下，進(jìn)水中的NO3-N的平均濃度分別為9.53±1.43mg L?1和9.94±1.17 mg L?1 ，僅檢測(cè)到少量NH-N 。 HRT為3h時(shí) ， PHBV和PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)的去除率分別為92.36%和96.64% 。在PHBV中摻入鋸末，提高了其硝酸鹽的去除率，改善了其生物可利用率，有利于微生物的附著和固體有機(jī)碳的生物降解。相較于PHBV-鋸末共混物系統(tǒng) ， PHBV系統(tǒng)的DOC和NH4-N濃度更高。 PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)的DOC平均濃度為15.49±12.09 mg L?1 ， HRT調(diào)整至1.5 h后降至9.00±4.16 mg L?1 。 HRT調(diào)整到1.5h后， PHBV和PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)仍然保持了95.57%和96.58%的有效NO-N去除率，表明了固相反硝化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)出水中NH-N的累積濃度降至0.37±0.32 mg L?1 ，遠(yuǎn)低于PHBV系統(tǒng)（1.14±0.37 mg L?1）。表1. 不同HRT下的固相反硝化系統(tǒng)的脫氮性能

本文插圖

2 不同固體碳源對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響通過(guò)宏基因組測(cè)序，樣品分組P得到的原始數(shù)據(jù)量為3.96×1010 8raw reads ，樣品分組PS得到的原始數(shù)據(jù)量為3.75×1010raw bases 和2.49×108raw reads 。 NR物種注釋結(jié)果顯示：細(xì)菌占總物種的97.53%-99.06% ，在每個(gè)樣本中均占優(yōu)勢(shì) 。 PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中細(xì)菌和病毒的比例顯著低于PHBV系統(tǒng) ，而古菌和真核生物的比例在PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中則具有明顯的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì) 。 PHBV系統(tǒng)和PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中相對(duì)豐度大于1.00%的主要門(mén)如圖1a所示。分析表明兩個(gè)系統(tǒng)在門(mén)水平上的微生物群落組成存在顯著差異。兩個(gè)系統(tǒng)中均以變形菌門(mén)（Proteobacteria）為主，分別占78.96%和50.05% 。在PHBV系統(tǒng)中，擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）為第二優(yōu)勢(shì)菌門(mén)（3.63%），其次為厚壁菌門(mén)（Firmicutes）（3.27%）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）（2.87%）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）（1.37%）、酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）（1.24%）和Spirochaetae（1.19%）。在PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中，放線菌門(mén)（Actinobacteria）是的第二優(yōu)勢(shì)菌門(mén)（10.61%），其次是綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）（7.36%）、擬桿菌（Bacteroidetes）（5.33%）、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)（2.73%）、酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）（2.65%）、厚壁菌門(mén)（Firmicutes）（2.34%）、Ignavibacteriae（2.04%）、芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)（2.07%）、藍(lán)細(xì)菌門(mén)（Cyanobacteria）（1.33%）、硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospirae）（1.40%）和廣古菌門(mén)(Euryarchaeota)（1.36%）。變形菌、擬桿菌、放線菌和綠彎菌廣泛存在于城市污水處理系統(tǒng)中，在生物降解中起著重要作用。大多數(shù)脫氮細(xì)菌隸屬于變形菌門(mén) ，變形菌在反硝化中起著主導(dǎo)作用。放線菌合成的一些酶可以促進(jìn)植物生物量中多糖或酚類(lèi)化合物的分解過(guò)程。綠彎菌和擬桿菌被認(rèn)為具有分解大分子的能力，通常在發(fā)酵系統(tǒng)中觀察到。 PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中綠彎菌、放線菌和擬桿菌的豐度較高，可能是由于生物量的難降解性所致。值得一提的是，在PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中檢測(cè)到廣古菌門(mén) ，相對(duì)豐度為1.36% 。玉米秸稈和雞糞中溫發(fā)酵系統(tǒng)中主要的菌群是廣古菌、擬桿菌和厚壁菌。此外，廣古菌門(mén)含有豐富多樣的產(chǎn)甲烷細(xì)菌，它們?cè)趨捬醢l(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)生甲烷。因此，在PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)中，一小部分有機(jī)物可能通過(guò)厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甲烷，而不是進(jìn)行反硝化作用。 PHBV系統(tǒng)和PHBV-鋸末共混物系統(tǒng)在屬水平上的微生物群落組成如圖1b所示。在PHBV系統(tǒng)中，脫氯單胞菌屬（

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