​贝博,香港大学顾继东团队WR: 接种厌氧氨氧化污泥颗粒的三种废水处理系统中的微生物氮转化网络

焦点提醒： 喷鼻港年夜学顾继东团队WR: 接种厌氧氨氧化污泥颗粒的三种废水处置系统中的微生物氮转化收集喷鼻港年夜学顾继东团队WR: 接种厌氧氨氧化污泥颗粒的三种废水处置系统中的微生物氮转化收集2019-10-28 11:24 来历：情况人Environmentor

导读厌氧氨氧化（anammox）介导的微生物脱氮具有本钱效益，但在常规污水处置厂中积累迟缓发展的厌氧氨氧化菌十分费时。接种富含厌氧氨氧化微生物的污泥颗粒是快速成立复杂微生物氮转化收集的有用体例。本文利用宏基因组学和宏转录组学的方式研究了3个代表部门硝化-厌氧氨氧化（PNA）和硝化-反硝化除氮工艺的污水处置厂接种外源anammox颗粒后的微生物脱氮结果。成果注解，在分歧的污水处置厂中，分歧的活性组协同工作以实现有用的脱氮。证明了经由过程间接接种外源anammox污泥颗粒在富氨系统中利用anammox的可行性，并从理化和组学两个角度加深了人们对厌氧氨氧化驱动的污水处置脱氮进程中微生物氮轮回的理解。

论文ID

原名：Complex microbial nitrogen-cycling networks in three distinct anammox-inoculated wastewater treatment systems

期刊：Water Research

IF：7.913

颁发时候：2019年9月

通信作者：顾继东，李猛

通信作者单元：喷鼻港年夜学生命科学院，深圳年夜学高档研究院

尝试设想

本文以中国台湾新北市八里区（BL）和林口区(LK)和台中文山(WS)三个分歧工艺的污水处置厂接种外源氨氧化铵污泥颗粒处置为对象，收集了颠末5年不变运转后的活性污泥样本并接种到改进的氨氧化微生物培育基中进行分批培育，另外基在^{15NO_{3-同位素测定厌氧氨氧化和反硝化速度。对活性污泥样本泥土进行DNA和RNA提取，操纵高通量测序手艺对泥土微生物群落进行宏基因组和宏转录组测序。经由过程对功能基因进行正文和定量其相对品貌来研究氮转化进程与功能基因和转录产品的相干消息，进一步明白废水处置系统中复杂的微生物氮转化收集。}}

成果

1厌氧氨氧化污水处置系统的成立和其脱氮机能

BL和WS是处置垃圾渗滤液的富氨污水处置厂；LK是氨氮浓度相对较低的市政污水处置厂，别离丈量三个处置厂的进出水中铵、硝、BOD、COD等目标，获得污水处置厂的根基脱氮能力。在接种厌氧氨氧化污泥颗粒六个月后，在曝气池中构成了年夜的厌氧氨氧化颗粒并检测到厌氧氨氧化细菌的具有。基在^{15NO_{3-同位素素测定厌氧氨氧化和反硝化速度，成果注解：厌氧氨氧化是BL中发生氮气的首要进程，在BL中不克不及检测到反硝化活性。相反，反硝化感化是LK和WS的首要氮气生成进程，同时，在WS中能够检测到厌氧氨氧化进程。另外，三种稀释5倍的活性污泥样品在三天内都可以完全氧化1毫摩尔氨。颠末一天的培育（图1b），在BL（近0.6mM）中堆集了年夜量的亚硝酸盐，这多是因为AOB和NOB的品貌极不服衡酿成的成果。}}

图1基在^{15NO_{3-同位素测定BL, LK, WS三个污水处置厂活性污泥的脱氮和氨氧化效力。}}

2基因组重建

从BL、LK和WS搜集的三个活性污泥样本长进行宏基因组和宏转录组测序，共发生了14.8亿条序列和10.6亿条序列，从头拆卸并进行binning共获得905个MAGs，此中196个是完全性年夜在80%，污染度小在10%的近完全MAGs。年夜部门为细菌，只要四株为古菌，分属奇古菌门和广古菌门。

3氮轮回相干基因的品貌与转录本

氨的耗损进程包罗硝化感化（amo、hao和nxr）、反硝化感化（narG、nirK&S、norB&Z和nos）、厌氧氨氧化（hzs、hao和nxr）和氨同化感化（glnA）。这些氮转化进程相干的基因品貌和转录程度都很高。而氨的出产进程，包罗固氮（nifH）、硝酸盐同化还原成铵（nrf）和尿素分化（ure），相关基因程度相对较低。另外amo和hao基因的高度表达使得氨可以或许快速的被氧化耗损失落，在BL和WS中，hzs, hao 和nxr高度表达，注解厌氧氨氧化菌在积极介入脱氮进程。比拟别的两个处置厂样本，发觉在WS中，更多的基因介入表达，这反应了更加多样微生物介入到了氮素转化和去除进程。氨氮浓度相对较低的LK市政污水处置厂中氮转化相干的功能基因和转录程度均低在别的两个富氨样本。

图2氮转化进程功能基因品貌和转录程度对照阐发。

4脱氮相干微生物和复杂的微生物氮转化收集

硝化感化经由过程供给氮底物在脱氮进程中起着要害感化。在BL中，Nitrosomonas（BL36和BL56）是首要的氨氧化细菌（AOB），具有功能基因（amo和hao）较高的转录产品。Nitrospira（BL254）是BL中独有的亚硝酸盐氧化细菌（NOB），但未在此中检测到nxr三个亚基的转录产品。在LK中，Nitrosomonas是劣势AOB，但未检测到典型NOB。值得留意的是，在WS中检测到全程硝化菌Nitrospira (WS1 10, WS238)。反硝化是一个呼吸进程，在这个进程中硝酸盐被慢慢还原为氮气，硝酸盐还原酶（Nar）、亚硝酸盐还原酶（nirK/S）、一氧化氮还原酶（Nor）和氧化亚氮还原酶（Nos）是要害的反硝化酶。

厌氧氨氧化菌MAGs仅从处置垃圾渗滤液的富氨污水处置厂BL和WS中收受接管，申明厌氧氨氧化菌对底物的选择性很强。在BL中检测到Ca. Brocadia (BL1)和Ca. Kuenenia (BL10)，在WS中检测到Ca. Brocadia (ws118），与之前研究分歧，这些菌株均过量表达，hao和hzs，Ca. Brocadia是首要的厌氧氨氧化微生物。

图3建立微生物氮轮回收集（a）氮轮回进程示意，线条的粗细代表基因转录程度，分歧的色彩代表氮转化分歧进程。（b）圆圈的巨细代表MAGs、转录产品和功能基因转录本的品貌差别。

4厌氧氨氧化菌亚硝酸盐还原酶和Hao-like卵白

从BL和W3中获得三个厌氧氨氧化细菌MAGs（BL1、BL10和WS118），定名为“Ca Brocadia sp. BL1”、“Ca Kuenenia����APP stuttgartiensis genome BL10”和“Ca. Brocadia sp.WS118”。在BL1中未发觉构成亚硝酸盐还原酶（nirS或nirK），但在WS118中发觉了一个很是弱的nirS转录本。仅在两株Ca Brocadia中发觉了一个构成铵的硝酸盐同化还原酶基因簇（nrf），但Nrf酶在anammox代谢中的感化尚不清晰。

图4 三种厌氧氨氧化菌MAGs中潜伏的氮转化进程（a）氮转化模子（b）功能基因的转录品貌。红色条代表基因组品貌，深黄色条代表基因转录程度。

会商

本文利用宏基因组学的方式研究了分歧工艺的污水处置厂接种外源anammox颗粒后的微生物脱氮，经由过程连系转录组和基在N-15的同位素标识表记标帜获得证明。成果注解在BL处置厂中，部门氨在氨氧化细菌Nitrosomonas的感化下被氧化，亚硝酸盐和残存的氨被厌氧氨氧化菌Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia转化为氮气。在WS处置厂中，氨氧化古菌Thaumarchaeota高在氨氧化细菌Nitrosomonas。在LK富含无机碳的硝化反硝化污水系统中，全程硝化菌Nitrospira是首要的硝化微生物。在分歧的污水处置厂中，分歧的活性组协同工作以实现有用的脱氮。

评论

本研究经由过程宏基因组、转录组和N-15同位素标识表记标帜手艺，明白了分歧底物情况下，污水处置厂中氮转化进程的微生物机制和其在脱氮进程中阐扬的主要感化。这些成果能够为报酬在富氨系统下接种厌氧氨氧化污泥颗粒，成立厌氧氨氧化进程和实现短程脱氮供给思绪，并加强对其潜伏微生物机制的理解，对指点污水处置出产有主要参考意义。