基于新一代測(cè)序技術(shù)的BIOLAK和A2O活性污泥宏基因組研究.pdf

1、在眾多的污水處理方法中，百樂(lè)克（BIOLAK）與A2O（Anaerobic/Anoxic/Oxic，厭氧/缺氧/好氧）是兩種常見(jiàn)的生物處理工藝?；钚晕勰嗍俏勰喾ㄉ锾幚砉に嚨暮诵脑?，污泥中的生物群落組成及功能從根本上決定了污廢水處理的能力。在這兩種活性污泥系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，由于進(jìn)水水質(zhì)、水量和環(huán)境條件不斷發(fā)生變化，會(huì)對(duì)活性污泥系統(tǒng)的處理效果產(chǎn)生影響，有時(shí)難以達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)揮出最大效益。因此，全面揭示和系統(tǒng)了解百樂(lè)克和 A2O活性污

2、泥中微型生物的群落結(jié)構(gòu)及其功能，比較分析這兩種污泥中所包含的生物類群及其功能基因就顯得尤為重要。本文在系統(tǒng)綜述新一代測(cè)序技術(shù)、宏基因組及活性污泥微生物研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，借助于不依賴擴(kuò)增的宏基因組學(xué)研究策略，利用新一代Illumina高通量測(cè)序技術(shù)，全方位系統(tǒng)的揭示了百樂(lè)克（BIOLAK）和 A2O（厭氧/缺氧/好氧）活性污泥微型生物的群落結(jié)構(gòu)及其功能。同時(shí)，利用比較宏基因組學(xué)研究原理，比較分析了這兩種活性污泥宏基因組中的生物群落特征及其功

3、能分類。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、沤沂玖税贅?lè)克活性污泥中蘊(yùn)藏著豐富的生物多樣性。共檢測(cè)出47個(gè)門類、872個(gè)屬、1351個(gè)物種及相當(dāng)數(shù)量的未匹配上的高質(zhì)量序列（136133條序列），這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出先前活性污泥中所報(bào)道的生物多樣性。在百樂(lè)克活性污泥中檢測(cè)到的大多數(shù)序列歸屬于細(xì)菌域，包括33個(gè)門和748個(gè)細(xì)菌屬。其中變形菌、擬桿菌、硝化螺旋菌和浮霉菌是百樂(lè)克活性污泥中的主要細(xì)菌類群，在生物降解過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。硝化螺旋菌屬為百樂(lè)克活

4、性污泥中的第一大菌屬，是參與氮循環(huán)過(guò)程中至關(guān)重要的菌群，其次是芽單胞菌屬，是生物除磷過(guò)程中的重要菌屬。其余的序列被分配到真核域（包括10個(gè)門和60個(gè)屬）、古細(xì)菌域（包括3個(gè)門和39個(gè)屬）和病毒域（以噬菌體為主的448條病毒序列）。檢測(cè)到的大部分病毒屬于有尾噬菌體目。這些病毒的存在可能會(huì)對(duì)污水處理效果以及受納水體產(chǎn)生潛在影響。
　　⑵在百樂(lè)克活性污泥宏基因組中存在著豐富、廣泛的代謝多樣性。其中，碳水化合物、毒力、氨基酸及其衍生物、蛋

5、白質(zhì)代謝、呼吸和DNA代謝等相關(guān)的功能基因，與污泥中生物類群的生長(zhǎng)和存活密不可分。同時(shí)檢測(cè)到參與氮、磷、硫和芳香族化合物代謝相關(guān)的功能基因，占比分別為2.4978％、1.5606%、1.2932%和2.2781%。在參與氮代謝的子系統(tǒng)中，氨同化和硝酸鹽/亞硝酸鹽氨化相關(guān)基因具有最高的基因數(shù)；在磷代謝中，參與磷酸鹽代謝的功能基因數(shù)量最多；在硫代謝中，參與有機(jī)硫同化的功能基因所占的比例最高；在芳香族化合物代謝中，參與芳香族化合物分解代謝途徑

6、的外周相關(guān)的基因數(shù)量最多。以上關(guān)鍵功能基因在氮、磷、硫和芳香族化合物代謝中占主導(dǎo)地位，在百樂(lè)克活性污泥的處理效能上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在百樂(lè)克污泥樣本中還檢測(cè)到13886條序列的浮霉菌門，包含14個(gè)菌屬，其中8個(gè)屬都位列最豐富的前100個(gè)屬，主要參與厭氧氨氧化過(guò)程。另外，在參與氮代謝的4個(gè)過(guò)程中，與反硝化過(guò)程相關(guān)的功能基因所占比重最高。因此，參與反硝化過(guò)程相關(guān)的功能基因在氮代謝過(guò)程中占據(jù)重要地位，對(duì)污水中氮的去除起著極其關(guān)鍵的作用。<

7、br>　　⑶與以往報(bào)道的A2O活性污泥宏基因組相比，本研究揭示了A2O活性污泥更高的生物多樣性。共檢測(cè)到51門、近900個(gè)屬及相當(dāng)數(shù)量的高質(zhì)量未分配序列。在檢測(cè)到的742個(gè)菌屬中，硝化螺旋菌屬、陶厄氏菌屬、脫氯單胞菌屬和化能異養(yǎng)菌的豐度占據(jù)前四位；副球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬和亞硝化螺菌屬的序列分別為105、39和353（在以前的A2O活性污泥中并未檢測(cè)到），亞硝化螺菌屬為A2O活性污泥宏基因組中排名前100的最豐富的屬。同時(shí)在A2O活性污泥樣

8、本中檢測(cè)到古菌域的4個(gè)門和50個(gè)屬、真核生物域的12個(gè)門和77個(gè)屬及以噬菌體為主的病毒。
　?、仍贏2O活性污泥宏基因組中，檢測(cè)到與碳水化合物、氨基酸和蛋白質(zhì)代謝相關(guān)的功能基因，這與污泥中微生物的生長(zhǎng)和發(fā)育密切相關(guān)。同時(shí)檢測(cè)到氮、磷、硫和芳香族化合物代謝相關(guān)的基因，所占比例分別為2.72%、1.48%、1.15%和2.24%，其中參與反硝化過(guò)程相關(guān)的功能基因在氮代謝過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位。這些與代謝相關(guān)的功能基因可直接參與相關(guān)化合物的

9、生物降解或吸收，與污水處理廠的處理性能密切相關(guān)。經(jīng)SEED二級(jí)子系統(tǒng)分析，檢測(cè)到與氮代謝相關(guān)的功能基因序列9756個(gè)和聚磷菌屬（占比為1.37%），這對(duì)污水中含氮化合物和磷酸鹽的去除起著關(guān)鍵作用。另外，通過(guò)對(duì)A2O活性污泥宏基因組的序列進(jìn)行功能分析，發(fā)現(xiàn)4個(gè)浮霉菌屬（浮霉?fàn)罹鷮?、小梨形菌屬、出芽菌屬和單球胞菌屬）也參與 A2O活性污泥的氮代謝過(guò)程。
　　⑸揭示了百樂(lè)克和A2O兩種不同活性污泥中存在著共有的核心微生物功能群。檢測(cè)到有

10、88個(gè)屬為共有的高豐度屬（排名位于前100名的屬），它們?cè)趦煞N活性污泥微生物中均占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，對(duì)穩(wěn)定活性污泥系統(tǒng)及有效去除污染物發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。另外，參與反硝化和氨化相關(guān)的功能基因在這兩種污泥中也均占主導(dǎo)地位，對(duì)污水中氮的去除發(fā)揮著關(guān)鍵作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩種活性污泥中的生物群落在門和屬的層級(jí)上均存在巨大差異。大多數(shù)門在這兩種污泥中所占的比例存在差別，特別是浮霉菌門，在百樂(lè)克活性污泥中的比例，比其在A2O污泥中高60%，這表明參與氮代謝

11、的浮霉菌門在百樂(lè)克污泥中發(fā)揮著更為重要的作用。在屬的層級(jí)，有167個(gè)屬僅在A2O活性污泥中檢出，有50個(gè)屬僅發(fā)現(xiàn)于百樂(lè)克活性污泥中。在這兩種污泥中還檢測(cè)到24個(gè)高豐度屬，每一個(gè)屬在至少一個(gè)活性污泥宏基因組中所占的比例超過(guò)1％。其中，僅有纖維堆囊菌屬Sorangium在這兩種污泥中所占的比例是接近的，其他23個(gè)高豐度屬在這兩種污泥中所占的比例則各不相同。經(jīng)SEED二級(jí)子系統(tǒng)分析，兩種污泥中參與氮、磷、硫和芳香族化合物各個(gè)代謝過(guò)程的功能基因