北大 | Water Research：固相反硝化系统中微生物结构及代谢途径的宏基因组分析：基于污水处理厂废水深度脱氮的中试研究( 四 )

CandidatusBrocadia是相对丰度最高（0.09%）的一种厌氧氨氧化菌，而其他厌氧氨氧化细菌的相对丰度较低（约为0.03%）。此外，所有检测到的厌氧氨氧化菌在PHBV-锯末共混物系统中的相对丰度明显高于PHBV系统，证实了反硝化作用与厌氧氨氧化的协同作用， PHBV-锯末共混物系统中的厌氧氨氧化活性更高，有利于降低系统出水中累积的NH4-N 。

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图3. PHBV与PHBV-锯末共混物系统中厌氧氨氧化细菌丰度的差异分析。3 不同固体碳源对氮代谢和糖酵解途径的影响4所示。在反硝化途径中，编码硝酸还原酶（EC 1.7.5.1）、一氧化氮还原酶（EC 1.7.2.5）和一氧化二氮还原酶（EC 1.7.2.4）的基因在PHBV-锯末共混物系统中的相对丰度显著较高，表明其对硝酸盐的去除效果较好，与出水中较低的NO3-N相一致。 PHBV系统中编码NH4+-N生成的基因固氮酶（EC1.18.6.1）和羟胺还原酶（EC1.7.99.1）基因相对丰度显著增加，导致出水中NH4-N的积累。在PHBV-锯末共混物系统中，负责调节厌氧氨氧化的肼合酶（EC 1.7.2.7）和肼脱氢酶（EC 1.7.2.8）编码基因的相对丰度显著高于PHBV系统，调节NH-N的积累减少。

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图4. 氮代谢和糖酵解关键酶编码基因的相对丰度。反硝化微生物通过降解碳源获得电子，保证NO3 。在糖酵解过程中，葡萄糖激酶（GK ， EC 2.7.1.2）和甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH ， EC 1.2.1.59）是催化产生反硝化电子供体的两种重要酶。在糖酵解代谢途径中，编码葡萄糖激酶的基因在PHBV系统中的相对丰度（2.73%）显著高于PHBV-锯末共混物系统的（2.47%）。葡萄糖激酶负责催化葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸，这是碳源代谢的第一步。当固体碳源水解速率过快时，这可能会加速碳源的水解，并导致PHBV系统出水的DOC升高（表1）。 PHBV-锯末共混物系统GAPDH编码基因相对丰度（EC 1.2.1.59）为0.18% ，显著高于PHBV系统的（0.04%）。 GAPDH可催化糖酵解过程中甘油醛-3-磷酸转化为3-磷酸甘油酯，并生成NADH ，作为微生物反硝化的电子供体。因此，在PHBV-锯末共混物系统中，为硝酸盐的去除提供更多的电子供体，这与PHBV-锯末共混物系统具有更好的硝酸盐去除性能相一致。而PHBV系统中磷酸甘油激酶（EC 2.7.2.3）和丙酮酸激酶（EC 2.7.1.40）编码基因的相对丰度（分别为3.49%和3.63%）明显高于PHBV-锯末共混物系统的（分别为2.64%和3.39%）。作为催化ATP生成的关键酶，其编码基因的相对丰度明显较高，可能为PHBV系统中的微生物硝化作用提供更多有效的ATP ，而固相反硝化系统中相对较低的DO抑制了微生物硝化作用。微生物反硝化需要足够的电子来完成硝酸盐异化还原为氮的过程。 PHBV-锯末共混物的利用保证了NADH的供应，为微生物脱氮提供了足够的电子。而PHBV系统出水DOC浓度升高，促进了DNRA生物的生长，但抑制了厌氧氨氧化菌的繁殖，并导致出水中NH4-N的积累。4 不同系统中注释的木质纤维素酶PHBV系统和PHBV-锯末共混物系统中注释的木质纤维素酶的相对丰度及其差异分析如图5所示。分别对两个系统中的10种木质纤维素酶进行了注释，包括5种纤维素酶（β-葡萄糖苷酶、纤维素酶、α-葡萄糖苷酶、纤维二糖磷酸化酶和纤维素1,4-β-纤维二糖苷酶）、4种半纤维素酶（β-半乳糖苷酶、α-半乳糖苷酶、α-L-阿拉伯糖呋喃糖苷酶和β-葡萄糖醛酸酶）、1种木质素水解酶（半乳糖氧化酶）。除纤维二糖磷酸化酶和半乳糖氧化酶外，大部分木质纤维素酶显著富集在PHBV-锯末共混物系统中。表明该系统中木质纤维素的降解更加活跃，不仅提高了资源利用率，而且防止了固相反硝化系统的堵塞，保证了异养反硝化反应稳定的碳源供应。