導(dǎo)讀
厭氧氨氧化(anammox)介導(dǎo)的微生物脫氮具有成本效益,但在常規(guī)污水處理廠中累積緩慢生長(zhǎng)的厭氧氨氧化菌十分費(fèi)時(shí)。接種富含厭氧氨氧化微生物的污泥顆粒是快速建立復(fù)雜微生物氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)的有效方式。本文應(yīng)用宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法研究了3個(gè)代表部分硝化-厭氧氨氧化(PNA)和硝化-反硝化除氮工藝的污水處理廠接種外源anammox顆粒后的微生物脫氮效果。結(jié)果表明,在不同的污水處理廠中,不同的活性組協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)有效的脫氮。證實(shí)了通過(guò)直接接種外源anammox污泥顆粒在富氨體系中應(yīng)用anammox的可行性,并從理化和組學(xué)兩個(gè)角度加深了人們對(duì)厭氧氨氧化驅(qū)動(dòng)的污水處理脫氮過(guò)程中微生物氮循環(huán)的理解。
論文ID
原名:Complex microbial nitrogen-cycling networks in three distinct anammox-inoculated wastewater treatment systems
期刊:Water Research
IF:7.913
發(fā)表時(shí)間:2019年9月
通訊作者:顧繼東,李猛
通訊作者單位:香港大學(xué)生命科學(xué)院,深圳大學(xué)高等研究院
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
本文以臺(tái)灣新北市八里區(qū)(BL)和林口區(qū)(LK)及臺(tái)中文山(WS)三個(gè)不同工藝的污水處理廠接種外源氨氧化銨污泥顆粒處理為對(duì)象,采集了經(jīng)過(guò)5年穩(wěn)定運(yùn)行后的活性污泥樣本并接種到改良的氨氧化微生物培養(yǎng)基中進(jìn)行分批培養(yǎng),此外基于15NO3-同位素測(cè)定厭氧氨氧化和反硝化速率。對(duì)活性污泥樣本土壤進(jìn)行DNA及RNA提取,利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)土壤微生物群落進(jìn)行宏基因組及宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。通過(guò)對(duì)功能基因進(jìn)行注釋及定量其相對(duì)豐度來(lái)研究氮轉(zhuǎn)化過(guò)程與功能基因及轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的相關(guān)信息,進(jìn)一步明確廢水處理系統(tǒng)中復(fù)雜的微生物氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)。
結(jié)果
1厭氧氨氧化污水處理體系的建立及其脫氮性能
BL和WS是處理垃圾滲濾液的富氨污水處理廠;LK是氨氮濃度相對(duì)較低的市政污水處理廠,分別測(cè)量三個(gè)處理廠的進(jìn)出水中銨、硝、BOD、COD等指標(biāo),得到污水處理廠的基本脫氮能力。在接種厭氧氨氧化污泥顆粒六個(gè)月后,在曝氣池中形成了大的厭氧氨氧化顆粒并檢測(cè)到厭氧氨氧化細(xì)菌的存在;15NO3-同位素素測(cè)定厭氧氨氧化和反硝化速率,結(jié)果表明:厭氧氨氧化是BL中產(chǎn)生氮?dú)獾闹饕^(guò)程,在BL中不能檢測(cè)到反硝化活性。相反,反硝化作用是LK和WS的主要氮?dú)馍蛇^(guò)程,同時(shí),在WS中可以檢測(cè)到厭氧氨氧化過(guò)程。此外,三種稀釋5倍的活性污泥樣品在三天內(nèi)均可以完全氧化1毫摩爾氨。經(jīng)過(guò)一天的培養(yǎng)(圖1b),在BL(近0.6mM)中積累了大量的亞硝酸鹽,這可能是由于AOB和NOB的豐度極不平衡造成的結(jié)果。
圖1 基于15NO3-同位素測(cè)定BL, LK, WS三個(gè)污水處理廠活性污泥的脫氮及氨氧化效率。
2 基因組重建
從BL、LK和WS收集的三個(gè)活性污泥樣本上進(jìn)行宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,共產(chǎn)生了14.8億條序列和10.6億條序列,從頭組裝并進(jìn)行binning共得到905個(gè)MAGs,其中196個(gè)是完整性大于80%,污染度小于10%的近完整MAGs。大部分為細(xì)菌,只有四株為古菌,分屬奇古菌門和廣古菌門。
3 氮循環(huán)相關(guān)基因的豐度與轉(zhuǎn)錄本
氨的消耗過(guò)程包括硝化作用(amo、hao和nxr)、反硝化作用(narG、nirK&S、norB&Z和nos)、厭氧氨氧化(hzs、hao和nxr)和氨同化作用(glnA)。這些氮轉(zhuǎn)化過(guò)程相關(guān)的基因豐度和轉(zhuǎn)錄水平都很高。而氨的生產(chǎn)過(guò)程,包括固氮(nifH)、硝酸鹽異化還原成銨(nrf)和尿素分解(ure),相關(guān)基因水平相對(duì)較低。此外amo和hao基因的高度表達(dá)使得氨能夠快速的被氧化消耗掉,在BL和WS中,hzs, hao 和nxr高度表達(dá),表明厭氧氨氧化菌在積極參與脫氮過(guò)程。相比另外兩個(gè)處理廠樣本,發(fā)現(xiàn)在WS中,更多的基因參與表達(dá),這反映了更為多樣微生物參與到了氮素轉(zhuǎn)化和去除過(guò)程。氨氮濃度相對(duì)較低的LK市政污水處理廠中氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能基因和轉(zhuǎn)錄水平均低于另外兩個(gè)富氨樣本。
圖2 氮轉(zhuǎn)化過(guò)程功能基因豐度及轉(zhuǎn)錄水平對(duì)比分析。
4 脫氮相關(guān)微生物及復(fù)雜的微生物氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)
硝化作用通過(guò)提供氮底物在脫氮過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。在BL中,Nitrosomonas(BL36和BL56)是主要的氨氧化細(xì)菌(AOB),具有功能基因(amo和hao)較高的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。Nitrospira(BL254)是BL中特有的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB),但未在其中檢測(cè)到nxr三個(gè)亞基的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。在LK中,Nitrosomonas是優(yōu)勢(shì)AOB,但未檢測(cè)到典型NOB。值得注意的是,在WS中檢測(cè)到全程硝化菌Nitrospira (WS1 10, WS238)。反硝化是一個(gè)呼吸過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中硝酸鹽被逐步還原為氮?dú)?/strong>,硝酸鹽還原酶(Nar)、亞硝酸鹽還原酶(nirK/S)、一氧化氮還原酶(Nor)和氧化亞氮還原酶(Nos)是關(guān)鍵的反硝化酶。
厭氧氨氧化菌MAGs僅從處理垃圾滲濾液的富氨污水處理廠BL和WS中回收,說(shuō)明厭氧氨氧化菌對(duì)底物的選擇性很強(qiáng)。在BL中檢測(cè)到Ca. Brocadia (BL1)和Ca. Kuenenia (BL10),在WS中檢測(cè)到Ca. Brocadia (ws118),與之前研究一致,這些菌株均過(guò)量表達(dá),hao和hzs,Ca. Brocadia是主要的厭氧氨氧化微生物。
圖3構(gòu)建微生物氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò)(a)氮循環(huán)過(guò)程示意,線條的粗細(xì)代表基因轉(zhuǎn)錄水平,不同的顏色代表氮轉(zhuǎn)化不同過(guò)程。(b)圓圈的大小代表MAGs、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物及功能基因轉(zhuǎn)錄本的豐度差異。
4 厭氧氨氧化菌亞硝酸鹽還原酶和Hao-like蛋白
從BL和W3中得到三個(gè)厭氧氨氧化細(xì)菌MAGs(BL1、BL10和WS118),命名為“Ca Brocadia sp. BL1”、“Ca Kuenenia stuttgartiensis genome BL10”和“Ca. Brocadia sp.WS118”。在BL1中未發(fā)現(xiàn)形成亞硝酸鹽還原酶(nirS或nirK),但在WS118中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常弱的nirS轉(zhuǎn)錄本。僅在兩株Ca Brocadia中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)形成銨的硝酸鹽異化還原酶基因簇(nrf),但Nrf酶在anammox代謝中的作用尚不清楚。
圖4 三種厭氧氨氧化菌MAGs中潛在的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程(a)氮轉(zhuǎn)化模型(b)功能基因的轉(zhuǎn)錄豐度。紅色條代表基因組豐度,深黃色條代表基因轉(zhuǎn)錄水平。
討論
本文應(yīng)用宏基因組學(xué)的方法研究了不同工藝的污水處理廠接種外源anammox顆粒后的微生物脫氮,通過(guò)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和基于N-15的同位素標(biāo)記得到證實(shí)。結(jié)果表明在BL處理廠中,部分氨在氨氧化細(xì)菌Nitrosomonas的作用下被氧化,亞硝酸鹽和殘余的氨被厭氧氨氧化菌Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia轉(zhuǎn)化為氮?dú)。在WS處理廠中,氨氧化古菌Thaumarchaeota高于氨氧化細(xì)菌Nitrosomonas。在LK富含有機(jī)碳的硝化反硝化污水系統(tǒng)中,全程硝化菌Nitrospira是主要的硝化微生物。在不同的污水處理廠中,不同的活性組協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)有效的脫氮。
評(píng)論
本研究通過(guò)宏基因組、轉(zhuǎn)錄組及N-15同位素標(biāo)記技術(shù),明確了不同底物環(huán)境下,污水處理廠中氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的微生物機(jī)制及其在脫氮過(guò)程中發(fā)揮的重要作用。這些結(jié)果可以為人為在富氨體系下接種厭氧氨氧化污泥顆粒,建立厭氧氨氧化過(guò)程以及實(shí)現(xiàn)短程脫氮提供思路,并增強(qiáng)對(duì)其潛在微生物機(jī)制的理解,對(duì)于指導(dǎo)污水處理生產(chǎn)有重要參考意義。