2017-09-20
近期，派森诺生物与山东大学合作，在《Water Research》（影响因子6.942）发表论文，通过研究不同强度磁场处理下，SBR反应器中活性污泥的生理生化特性和细菌菌群结构变化，探究磁场强度对短程硝化的影响。
研究背景
作为一种节能的新型生物脱氮技术，短程硝化—反硝化工艺因具有节省氧气供应量、减少碳消耗、削减剩余污泥产量等优点，而受到越来越广泛的关注。短程硝化是指通过增强氨氧化细菌（AOB）的活性或增加其丰度、抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的生长，使硝化过程处于亚硝酸盐阶段。目前控制方法主要集中于改变EO、pH值、温度、游离氨浓度、污泥龄等工艺运行参数。在维持短程硝化的同时，也伴随着工艺成本的增加。
研究表明，外加磁场和生物体自身的磁场均能对生物体代谢产生影响，即生物磁效应。在合适的强度范围内，磁场可增强酶活性，提高反应速率，促进微生物的生长和代谢。研究发现，磁场对活性污泥的氧利用率和硝化细菌的活性有强化作用。因此，研究附加磁场对反应器短程硝化作用具有重要意义。
研究目的
1． 探究不同磁场强度对短程硝化的影响；
2． 探究不同磁场强度对细菌菌群结构的影响。
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 V4区测序
实验对象：由采自好氧池的活性污泥、磁铁、SBR装置组成的SBR反应器
实验设计：磁场强度通过调节磁铁与反应器中心的距离大小来实现。其中，r0、r5、r10、r15、r20和r25用于探究短程硝化的磁场强度实验；CK和M用于SBR反应器短程硝化的启动与暂停实验；RCK、R5mT和R25mT用于高通量测序。
组名 | 处理方式 | 组名 | 处理方式 |
r0 | 无磁场附加 | CK | 无磁场附加 |
r5 | 附加磁场强度为5mT | M | 附加磁场强度为5mT |
r10 | 附加磁场强度为10mT | RCK | 无磁场附加 |
r15 | 附加磁场强度为15mT | R5mT | 附加磁场强度为5mT |
r20 | 附加磁场强度为20mT | R25mT | 附加磁场强度为25mT |
r25 | 附加磁场强度为25mT |
研究结果
1.短程硝化磁场强度
在短程硝化（PN）过程中，亚硝酸盐与铵盐的比值越大，表明硝化作用越强，反之越弱。不同磁场强度下，亚硝酸盐与铵盐的比值随时间的变化曲线如下图所示。结果表明，磁场的存在对短程硝化具有显著影响，磁场强度为5mT时，硝化作用强；然而，随着磁场强度的增强，硝化作用越来越弱。由此可知，短程硝化的磁场强度为5mT。
2.弱磁场对反应器中短程硝化的影响
本实验采用序批式活性污泥法（SBR），通过控制进水氨氮浓度及水力停留时间（HRT），将实验分为四个阶段。以出水氨氮、出水亚硝氮及出水硝氮的浓度随时间的变化作为衡量指标，对弱磁场（5mT）作用下和无磁场作用下反应器中的短程硝化进行比较。实验结果表明，弱磁场可增强短程硝化作用，且能够缩短短程硝化启动时间。
3.不同磁场强度下短程硝化过程中的氮转化
对第40天的弱磁场（5mT）和无磁场SBR反应器中的pH值、溶解氧（DO）、铵盐及亚硝酸盐的浓度进行测定，并计算反应器中游离氨的比例。结果发现，游离氨在酸性环境中的含量少；弱磁场处理组（M）的氮转化能力比无磁场组（CK）强。
4．不同磁场强度对AOB和NOB的比耗氧速率的影响
实验结果表明，在弱磁场作用下氨氧化细菌（AOB）的比耗氧速率（SOUR）是无磁场作用下的2.38倍；而亚硝酸氧化菌（NOB）的比耗氧速率（SOUR）在弱磁场处理组较无磁场处理组低。由此可见，弱磁场会增强AOB的活性，而降低NOB的活性。
5．磁场对短程硝化相关菌群组成的影响
对5mT弱磁场处理组（R5mT）、25mT强磁场处理组（R25mT）及对照组（RCK）的样本进行高通量测序，共获得202443条高质量序列，划分到546个OTU。韦恩图结果显示，三组样本共有OTU数为264个，分别有53、55、13个OTU为RCK、R5mT、R25mT特有。
三组样本在门、纲、科、属水平上的物种分布组成具有显著差异。常见的AOB在分类学上属于Proteobacteria门、Betaproteobacteria纲、Nitrosomonadales目、Nitrosomonadaceae科。在门水平，Proteobacteria的相对丰度为R5mT>RCK>R25mT；在纲水平，Betaproteobacteria的相对丰度为R5mT>RCK>R25mT；在目水平，Nitrosomonadales的相对丰度为RCK>R5mT>R25mT；在科水平，Nitrosomonadaceae的相对丰度为RCK>R5mT>R25mT。结果表明，磁场的附加并未显著提高AOB的菌群丰度，相反地，磁场越强，AOB的丰度值越小。
功能基因预测分析结果显示，大多数功能基因的丰度随着磁场强度的增大而下降，而一些参与信号传导、细胞运动和膜运输的功能基因在弱磁场组R5mT中的丰度显著高于其他两组。
总结
本文通过研究不同强度磁场处理下硝化反应器中活性污泥的生理生化特性及菌群结构变化，探究不同磁场强度对反应器短程硝化的影响，并得到以下结论：弱磁场对短程硝化具有良好地促进作用；磁场的附加显著降低了细菌的多样性；弱磁场对参与信号传导、细胞运动和膜运输的功能基因表达具有促进作用；弱磁场通过提高AOB中游离氨的比例来增强AOB活性，而不是通过增加AOB的菌群丰度。
本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
文章索引：Wang, Zhibin, et al. "Weak magnetic field: A powerful strategy to enhance partial nitrification." Water Research 120 (2017): 190-198.
点击链接，阅读原文：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135417303263
