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碉堡!vs纳米铜,厌氧氨氧化微生物又来搞事情!

最近,生物平台生物与杭州师范大学合作,在《Bioresource Technology》(最新影响因子:5.651)发表文章,探究纳米铜胁迫对厌氧氨氧化过程的长期影响。


1 研究背景


自二十世纪末以来,纳米技术取得了突飞猛进的发展。目前,工程纳米粒子(NPs)已被广泛应用于诸多消费品和工业领域。例如,纳米铜因其优良的导热、导电以及杀菌性能在燃烧活性剂、纺织品、木材防腐产品等存在巨大价值。然而,在生产、储存和使用它的过程中,不可避免地会向环境中排放。因此,纳米金属污染的环境风险已成为公众关注焦点和研究热点。


厌氧氨氧化作用即在厌氧(准确地说是缺氧,因为有亚硝酸盐)条件下由厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体,将氨氮氧化为氮气的生物反应过程。厌氧氨氧化过程是目前最方便的生物脱氮过程,因此被誉为最具前景的污水脱氮工艺。然而,纳米金属对于厌氧氨氧化过程的影响尚不可知,本研究选择纳米铜作为研究模型,探究不同浓度纳米铜胁迫对厌氧氨氧化过程的长期影响。


2 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16S rRNA基因V4区测序

样本来源:污泥样本

实验设计:首先,对厌氧氨氧化反应器的脱氮性能进行评估,并在随后对其增加0.5 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L不同浓度的纳米铜胁迫进行脱氮性能及恢复力评估。另外,利用高通量测序技术分析不同时期微生物群落的动态变化。最后,通过RDA冗余分析和Pearson相关性分析,对试验指标与微生物群落的关系进行了评价。


3 研究结果


3.1 脱氮性能研究

在反应器中成功接种厌氧氨氧化颗粒后,反应器成功启动,并显示了良好的脱氮效率;随后在实验的31天加入纳米铜进行胁迫反应,但从0.5 mg/L到1.0 mg/L浓度变化来看,并没有显著影响厌氧氨氧化过程;直到将纳米铜浓度增加到5.0 mg/L后,反应器的脱氮性能随着时间变化迅速恶化,在第72天,反应器中的NH4+-N与NO2—N迅速增加,脱氮效率急剧降低;而在除铜恢复过程中,厌氧氨氧化反应器的脱氮性能逐渐恢复.

3.2 微生物群落组成与多样性研究

用于检测微生物多样性菌落的样本分别采集于30、60、90、170天,从分析数据结果可以看出,菌群丰富度指数与多样性指数均随着纳米铜含量的不断提高而增加;随着纳米铜浓度增加到5.0 mg/L,Proteobacteria, Planctomycetes, WS6, OD1与 NKB19相对丰度降低,Acidobacteria, [Thermi], Bacteroidetes, BRC1, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes与FBP相对丰度增加,而Armatimonadetes, Actinobacteria, OP11与 Firmicutes相对丰度在纳米铜浓度低于1.0 mg/L是呈增加趋势,但随着浓度增加至5.0 mg/L时呈减少趋势.

3.3 功能性物种与代谢网络差异研究


厌氧氨氧化功能物种Brocadiaceae丰度在纳米铜的浓度升至5.0 mg/L时,其相对丰度由29.56%降至17.53%,并在恢复期中丰度重新增长至23.37%;同时RDA分析结果,揭示了反应器在30、60、90、170天的菌群结构与环境因子间的作用情况,从菌群结构来看,当纳米铜浓度增加至1.0 mg/L时,菌群结构稍有变化,但当浓度增至5.0 mg/L时,菌群结构变化随之扩大,虽然170天时,反应器脱氮效果已经基本恢复,但菌群结构已经发生显著变化,综上可以看出纳米铜对厌氧氨氧化过程的影响之大;

3.4 Cu相关代谢功能预测分析

基于PICRUSt软件预测菌群代谢功能预测,从分析结果中找到与铜相关基因,并用STAMP软件分别分析反应器30天与90天区别以及30天与170天区别;从结果可以看出,当纳米铜浓度增加至5.0 mg/L浓度时,反应器中与铜抗性相关的基因表达显著上调;虽然在170天时,反应器的脱氮能力完全恢复,但其大部分的铜抗性蛋白仍处于高表达状态.

3.5 Pearson相关性分析纳米铜对脱氮性能影响


Pearson相关性分析揭示纳米铜对脱氮性能的影响,图中红色区域表示两个因子之前呈正相关,蓝色区域呈负相关,其中,Inf.CuNPs与Kuenenia呈负相关趋势,Eff.NO3与NRR呈负相关趋势,但与Eff. NH4、Eff.N2H4呈正相关趋势,这些均与RDA分析结果相吻合;另外Inf.CuNPs与抗铜基因CusABCF、CusSR、CopBZ、PcoBCD均呈正相关关系,表明随着纳米铜浓度逐渐增加,其抗铜机制也在不断增强。

4 研究结论


厌氧氨氧化反应器的脱氮能力在5.0 mg/L的纳米铜含量胁迫作用下的30天里几乎被完全剥夺,同时厌氧氨氧化细菌Ca. Kuenenia的含量从29.59%降低到17.53%;在恢复期中,与抗铜机制相关的Cus、Cop与Pco系统却显著富集,消除多余的胞内铜;而厌氧氨氧化的脱氮能力也在铜的不断流逝中完全恢复;这充分表明了厌氧氨氧化微生物在纳米铜胁迫下具有的高敏感性、抗性以及恢复能力;因此,纳米金属对于厌氧氨氧化微生物的潜在影响更加值得我们去关注。


参考文献


Zhang Z Z, Hu H Y, Xu J J, et al. Susceptibility, resistance and resilience of anammox biomass to nanoscale copper stress.[J]. Bioresource Technology, 2017, 241:35.

点击链接,查看原文文献:http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.069

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