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利用宏基因组方法探究Anammox反应器启动过程中微生物的功能性状变化和耦合效应
通讯作者：Liu Sitong，北京大学环境科学与工程学院
Science of the Total Environment（IF=7.963）687 (2019) 50–60.
原文及链接：Metagenomic insights into functional traits variation and coupling effects on the anammox community during reactor start-up.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.05.491
厌氧氨氧化技术是一种高效低耗的废水处理工艺，近年来成为水处理领域的研究热点，其群落结构也得到了广泛的关注。然而，系统中的厌氧氨氧化菌群落功能始终呈动态变化，规律难以捉摸。
在该研究中，作者通过宏基因组学、多重生物信息学和网络分析等手段与方法，结合反应器的长期运行效果，揭示了Anammox启动过程中厌氧氨氧化群落结构和功能性状的演替规律。研究发现，在高NO2--N浓度抑制期后，Proteobacteria门反硝化菌的物种和基因丰度显著增加，反硝化菌可将NO2--N还原为N2，这可能有助于消耗过量的NO2--N，恢复Anammox菌群活性。另外，菌属Terrimonas（Bacteroidetes门）和Anaerolinea（Chloroflexi门）在迟滞期结束时物种丰度最高，它们具有分泌胞外聚合物、促进菌群聚集的功能，有利于提高Anammox系统的氮去除率。不仅如此，Terrimonas和Anaerolinea还可以与亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化生物（如Ca. Methylomirabilis）协同合作消耗NO2--N，减轻高浓度NO2--N对厌氧氨氧化细菌的抑制作用。此研究对群落结构和功能变化进行分析，强调反硝化菌等功能细菌在厌氧氨氧化过程中的重要性，为处理高氮废水提供一种潜在的控制策略。
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NO2--N限制型生物反应器中厌氧氨氧化菌间的微生物竞争
通讯作者：Satoshi Okabe，北海道大学工程学院环境工程学系
Water Research（IF=11.236），2017，125：249-258
原文及链接：Microbial competition among anammox bacteria in nitrite-limited bioreactors
https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.08.052
无论是在自然水体还是在人工环境中，大多数的缺/厌氧环境下都检测到厌氧氨氧化菌的存在，因此它也被认为时全球氮循环的关键参与者。然而，不同环境中检测到的Anammox群落结构与菌群功能却大相径庭，不同种属厌氧氨氧化菌的生态位有何差异？生态位分化的内在原因是什么？这些问题都亟待解决。
作者研究了不同的氮负荷 (NLRs) 下，固定化海藻酸钠凝胶柱反应器（GICR）、膜生物反应器（MBR）、上流式颗粒污泥反应器中三种厌氧氨氧化物种（即“Candidatus Brocadia sinica”、“Candidatus Jettenia caeni”和“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”）之间对共同底物（亚硝酸盐）的竞争作用。16 S rRNA结果显示，Ca . J. caeni不具有竞争优势，只能在低氮负荷条件下增殖，Ca . B. sinica在更高氮负荷下占优势，而Ca . K. stuttgartiensis始终无法富集。此外，荧光原位杂交（FISH）结果显示，Ca . J. caeni主要聚集在颗粒污泥和海藻酸钠凝胶珠内部（低NO2--N环境），而Ca . B. sinica则贯穿整个颗粒。这表明，氮负荷NLR是不同Anammox菌种生态位分化的因素之一
但是，如何解释低NLR下的竞争优势现象呢？下图表示的是三种菌种的Monod 模型，在任何基质浓度下，Ca . J. caeni的增殖都不占优势。作者猜测是由于无法准确测量动力学参数所导致的，如亚硝酸盐的半饱和常数Ks等。另外，微生物生长速率与内源衰亡速率共同决定微生物净生长速率，难以测量衰亡速率、动力学参数不准确等都使得Anammox菌种间的生态位分化机制仍是一个谜团。
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通过多组学手段解析厌氧氨氧化菌Ca. Brocadia与Ca. Jettenia间的竞争与生态位分化机制
通讯作者：Liu Sitong，北京大学环境科学与工程学院
Applied Microbiology and Biotechnology（IF= 4.813），2019，103：8191–8202
原文及链接：Genome-centered omics insight into the competition and niche differentiation of Ca. Jettenia and Ca. Brocadia affiliated to anammox bacteria
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00253-019-10040-9
诚如上一篇文章所述，厌氧氨氧化菌间底物竞争和生态位分化的深层机制尚不明晰。因此，作者在固定化厌氧折流反应器（I-ABR）中使用低氮基质浓度（NH4+-N=30 mg/L，NO2--N=30 mg/L）培养Anammox菌群，长期监测水质指标，分别在反应器沿程不同区域（C1、C2、C4）取生物样品进行组学测序分析。
结果显示，经过146天的培养，反应器不同区域的Ca. Brocadia丰度均不同程度的提高，且占优势生态位。这是由于Ca. Brocadia具有且高度表达了更多与调节“细胞趋化”、“鞭毛组装”、“双组分系统”和“亚硝酸盐还原” 等有关的功能基因。结合各个区域的氮去除负荷（NRR）和生物量来看，C1区由于生物量最大，所以处理效果最好。并且此区氮基质浓度较充足，两菌间的竞争小，所以二者物种丰度相当。C4区基质浓度最小，Ca. Brocadia由于前述的多种功能基因高度表达，在Anammox菌群中占绝对优势发挥良好活性。C2区基质浓度使得Ca. Brocadia与Ca. Jettenia间竞争排斥作用强，但Ca. Jettenia对氨氮具有更高亲和性，帮助其调整转运系统，从而将更多的基质跨膜转运进细胞内。因此，虽然C2区中的Ca. Jettenia活性更好，但是此区的氮去除负荷最低。
综上，Ca. Brocadia在低氮负荷污水中占优势生态位，氮负荷会影响Anammox菌属的群落结构与功能表达。本研究从基因层面比较了Ca. Brocadia和Ca. Jettenia的代谢潜力，为理解厌氧氨氧化细菌的竞争作用和生态位分化提供一个不同的维度。
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低氮负荷的传统城市污水厂中广泛存在但容易忽视的厌氧氨氧化作用
通讯作者：Peng Yongzhen，北京工业大学
Water Research（IF=11.236），2015，84：66-75.
原文及链接：Anaerobic ammonium oxidation in traditional municipal wastewater treatment plants with low-strength ammonium loading: widespread but overlooked
https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.07.005
海洋和淡水系统中厌氧氨氧化的发生极大地改变了我们对全球氮循环的理解，并促进了对厌氧氨氧化在人为生态系统中的功能作用和生态特征的研究。本研究以5个低氮负荷的城市污水处理厂为对象，研究了不同处理单元中Anammox菌群的时空分布、活性和生物多样性。污水厂的所有处理单元中均检测出厌氧氨氧化细菌，即使在有氧区（DO>2 mg/L）肼合酶 ( hzs ) 基因的拷贝数也可达到105 - 107。通过15N同位素示踪技术发现，冬季污水厂的厌氧氨氧化速率可达0.08-0.36 μmol N /(g·h)，脱氮贡献率为2.05-6.86 %；而夏季的Anammox速率达 0.12-1.20 μmol N /(g·h)，脱氮贡献率为1.71-7.26 %。污水处理厂中厌氧氨氧化细菌的多样性仅分布在Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia两个属上。另外，氨氧化细菌 (AOB) 是主要的亚硝酸盐底物生产者，而亚硝酸盐氧化细菌 (NOB，如Nitrospira) 是亚硝酸盐的潜在主要竞争者。综上所述，在传统的市政污水处理厂中，厌氧氨氧化对脱氮的贡献普遍存在氮却常常被忽视，而人为生态系统中厌氧氨氧化细菌的分布远超预期。
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基于宏基因组探究Anammox生物膜反应器中AHLs介导的群体感应机制
通讯作者：Wu Guangxue ，清华大学深圳研究生院
Chemical Engineering Journal（IF= 13.273），2018，344：42-52.
原文及链接：Metagenomics-based interpretation of AHLs-mediated quorum sensing in Anammox biofilm reactors for low-strength wastewater treatment
https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.03.047
厌氧氨氧化凭借其高效低耗的优势迅速成为研究热点，目前，Anammox技术主要应用于高氨氮废水处理，但在低氮负荷的主流城市污水处理中却鲜少应用。因此，作者分别运行两个不同浓度的厌氧氨氧化生物膜反应器（NH4+-N浓度分别为110 mg/L和50 mg/L），氮去除率可分别达到 0.65 g N / (L·d)和0.25 g N / (L·d)。优势Anammox菌属为Ca. Kuenenia。
本研究认为，高氮负荷进水会富集更多的QS微生物，诱导更多的AHLs合成，从而刺激胞外聚合物中产生更多的蛋白质和疏水氨基酸，利于厌氧氨氧化生物膜的形成，从而提高Anammox菌群的活性。另外，Ca. Kuenenia stuttgartiensis、Nitrosomonas europaea和Lautropia sp. SCN 69–89中检测到hao、pmoA-amoC、nirK和narGZHY等功能基因。这些微生物不仅能够参与氮代谢，并且在丙酮酸盐、脂肪酸和S-腺苷-L-蛋氨酸合成中发挥重要作用。该研究从群体感应角度为切入点，探究了厌氧氨氧化菌在低浓度废水中的代谢机制。
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采用高通量测序技术分析Anammox反应器处理低浓度低温废水时不同粒径聚集体中的微生物特征
通讯作者：Yang Dianhai ，同济大学环境科学与工程学院
Chemical Engineering Journal（IF= 9.642），2017，231：45-52.
原文及链接：High-throughput sequencing-based microbial characterization of size fractionated biomass in an anoxic anammox reactor for low-strength wastewater at low temperatures
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.01.050
通过高通量测序手段，本文研究了在低温低氮负荷条件下培养获得的三种不同尺寸的Anammox污泥的微生物特征，详细分析了参与氮代谢的微生物空间上相对丰度的变化。结果表明，反应器中各种属确实有不同的空间分布特征：Nitrotoga属仅在大颗粒被富集（>400 μm）；Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia更倾向于在大颗粒（> 400 μm）中生长，而Ca. Jettenia则是在中小型污泥（<400 μm）中占主导地位。由于直径小于 400 μm 的污泥占总生物量的81.55 %，Ca. Jettenia可能在脱氮中起着至关重要的作用。
小编评述
随着宏基因、宏转录等技术越来越多的应用于厌氧氨氧化菌群研究，Anammox系统复杂多变的群落结构与基因功能终于慢慢揭开了神秘的面纱。高通量测序只能辅助我们观察到Anammox菌属生态位分化、基质竞争等现象，最关键的还是对于现象背后分子层面机理的解读。
目前较普遍的解读如下：①Monod方程：不同菌属对于氮基质的亲和度不同，即半饱和常数不同，所以氮基质环境的变化往往会影响该菌群的比生长速率，导致发生群落演替。②功能基因：不同菌属具有不同功能基因，在低氮负荷下，具有且表达“细胞运动”、“信号传导”等相关功能基因的菌群有更大可能占据优势生态位。③菌群互作：在Anammox菌受到环境条件的限制或抑制时，系统中的其它菌群常常发挥着“改天换地”的重要作用，如在高氮负荷抑制下，反硝化菌消耗过量的NO2--N，协同提高Anammox菌的活性。
但是，在阅读文献的过程中也常常发现许多矛盾之处，如部分实验中发现Ca. Brocadia更适合高氮负荷条件，但另一部分却得到Ca. Kuenenia更适合高基质浓度的结果，这其中必然有我们所忽略的因素在影响着Anammox体系。对于此部分研究，如何得到普遍的实验现象？如何归纳出共性的规律？诸多问题仍等待着我们解决。
日读文献八百篇，透析领悟懂科研。
实验繁重没时间，且听研究僧说文献。
--水处理研究僧
本期供稿 | 老张爱学习
图文编辑 | 老张爱学习
审核 | 小崔
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