2019-04-04
文案 | 微生物组产品线
近期，上海派森诺生物分别与云南大学、东南大学、北京工业大学合作，利用高通量测序技术，在污水治理菌群结构研究中取得重要研究成果，研究论文相继发表于《Bioresource Technology》（影响因子5.807）。
云南大学：有机/无机介质生物过滤器（BF）污水处理效果评价和菌群结构研究
文章索引
Junjun Chang et al. Treatment of heavily polluted river water by tidal-operated biofilters with organic/inorganic media: Evaluation of performance and bacterial community. Bioresource Technology 279 (2019): 34–42
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419300732
研究目的
▶ 评价不同介质对不同淹没/排水时间比的潮汐式BFs污水处理效果的影响；
▶ 探究不同基质对BFs菌群结构的影响。
研究方法
▶ 测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
▶ 测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V3V4区测序
▶ 实验对象：潮汐式生物过滤器
▶ 实验设计：
四个实验室规模高密度聚乙烯材质的圆柱形容器用来做生物过滤器，过滤器中的四种介质分别为无机材料陶粒、火山石和有机材料纤维载体、生物球。系统采用潮汐式运行模式，注水/排水（F/D）时间比设置为3种：16/8 h、12/12 h、8/16 h。生物过滤器反应示意图如图1所示。为了更好地评价基质对污水处理性能的影响，在实验过程中采用合成废水来降低进水质量的变异性并发展稳定的微生物群落。
BFs稳定运行后，每隔1-3天收集每个处理器的出水样本，并在24小时内进行分析。每个处理器下收集10 - 15个样本，检测系统的处理性能。检测指标包括NH4+-N、NO2--N、亚硝酸盐（NO2--N）、总氮（TN）、化学需氧量COD和总磷（TP）等。
实验结束后将生物处理器上中下3层介质进行混合，作为某一介质处理器的代表样本进行微生物膜的收集并通过高通量测序解析各样本的微生物组成。
图：不同介质生物过滤器运行示意图
研究结果
▶ 不同介质生物过滤器的污水处理效果
通过水质指标检测发现陶粒和火山石为介质的生物过滤器对铵和磷的去除能力更强，而纤维载体为介质的生物过滤器对总氮的去除了能力更强。注水/排水（F/D）时间比设置为16/8 h对污水的处理效果更好。
图：进水和出水流中NH4+-N、NO2--N、NO2--N、TN、COD和TP的浓度和去除效率
▶ 微生物群落结构分析
通过高通量测序发现在有机介质上生长的脱氮微生物相对丰度远高于无机介质中的脱氮微生物。
表：不同介质生物过滤器中脱氮相关菌属的相对丰度（%）
东南大学：银纳米粒子对人工湿地系统性能和微生物群落结构的影响
文章索引
Juan Huang et al. Fate of silver nanoparticles in constructed wetlands and its influence on performance and microbiome in the ecosystems after a 450-day exposure. Bioresource Technology 281 (2019): 107–117
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419301920
研究目的
▶ 探究不同浓度的银纳米粒子AgNPs对人工湿地去污性能的影响；
▶ 通过AgNPs对微生物群落结构的影响深入理解AgNPs对人工湿地的影响。
研究方法
▶ 测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
▶ 测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V4区测序
▶ 实验对象：垂直流人工湿地
▶ 实验设计：
构建3个垂直流人工湿地，湿地系统包含4层：底部为10 cm厚的粗沸石颗粒层；中间为15 cm厚的砾石层；上层为15 cm厚的小砾石层；表层为20 cm厚的土壤层。三个人工湿地（CW1-3）均种植黄菖蒲，并在湿地中注入合成废水。CW2和CW3 的银纳米粒子AgNPs处理浓度分别为50和200 μg/L，CW1作为空白对照。
CWs系统的监视分为三个阶段：0-100 d、180-300 d、330-450 d。在暴露试验中，所有湿地均稳定运行，同时采集土壤和植物样本，分析CWs中AgNPs的分布规律，并测定进水和出水流的化学需氧量COD、总氮TN、NH4+-N和总磷TP的含量，评估银纳米粒子对人工湿地去污效果的影响。此外，在长期暴露试验结束时，通过高通量测序技术对不同AgNPs浓度下CW的土壤（S1-3）和砾石(G1-3)样品进行微生物群落分析。
研究结果
▶ AgNPs处理对人工湿地去污性能的影响
AgNPs在一定程度上会轻微地改变人工湿地系统CWs中氮和磷的去除效率，但不会显著影响系统的运作。
图：垂直流人工湿地不同土层中 COD、TN、NH4+-N和TP的去除效率
土壤层为AgNPs的主要积累层。
图：AgNPs在CW系统中的分布
▶ AgNPs对微生物群落结构的影响
高通量测序发现AgNPs会改变优势菌属和关键功能菌群如PAOs、GAOs、DNPAOs、AOB、NOB、DNB和 SRB的相对丰度。AgNPs对生态系统的影响不可忽视。
图：相对丰度top20的菌属在不同样本中的分布
表：属水平主要功能物种的归类
北京工业大学：短程消化内源反硝化除磷系统（PNEDPR-SBR）的改良—平衡磷和糖原积累微生物间的竞争
文章索引
Ji Zhao et al. Improvement of partial nitrification endogenous denitrification and phosphorus removal system: Balancing competition between phosphorus and glycogen accumulating organisms to enhance nitrogen removal without initiating phosphorus removal deterioration. Bioresource Technology 281 (2019) :382–391
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419303177
研究目的
▶ 缩短PNEDPR厌氧反应时间（AnRT）和缺氧反应时间（AxRT）；
▶ 平衡PAO-GAO（磷积累生物和糖积累生物）的组成。
研究方法
▶ 测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
▶ 测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V3V4区测序
▶ 实验对象：PNEDPR-SBR污泥反应器
▶ 实验设计：
构建一个实验室规模的PNEDPR-SBR污泥反应器，运行模式为A/O/A循环，运行条件如下表所示：
图：系统运行模式图
研究结果
▶ 运行效率的改良
通过缩短AnRT 和AxRT，水力停留时间HRT 缩短至 17.5 h，而氮承载率NLR提高至 0.084 kgN/(m3·d)。
图：PNEDPR-SBR系统营养物质去除效果
▶ PAO-GAO组成的平衡
有氧阶段前排出富磷的上清液，可以在不影响去磷的前提下平衡PAO-GAO竞争，提高氮的去除效率。
▶ 关键功能微生物的解析
Candidatus_Competibacte为内源反硝化进程中的主导物种。Candidatus_Accumulibacter和Tetrasphaera能够确保磷的去除。
表：PNEDPR-SBR系统中的关键功能菌属
总结
以上三篇《Bioresource Technology》典型案例，分别以特定的污水处理系统如潮汐式生物过滤器、垂直流人工湿地、SBR污泥反应器为研究对象，一方面从污水处理系统的进水流和出水流的质量指标评估特定处理对污水处理系统的效率影响，另一方面采用高通量测序手段探究污水处理器的微生物菌群尤其是功能性微生物群落的组成以深入了解微生物对污水处理系统的影响。
以上研究的高通量测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
