科研 | Water Research：厌氧氨氧化耦合n-DAMO微生物脱氮颗粒污泥的快速形成( 二 )

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图3 不同尺度下观察颗粒污泥的图像（A-C）和实验终止时颗粒的尺寸分布（D）。3 颗粒污泥微生物群落为了阐明微生物群落，首先对整个颗粒进行了16S rRNA基因扩增子高通量测序。结果显示第Ⅲ阶段优势门为Chloroflexi (25.3%)、Patescibacteria (20.8%)、Proteobacteria (13.6%)、Euryarchaeota (9.9%)、Planctomycetes (9.1%)、 Actinobacteriota (6.0%)、Armatimonadetes(4.3%)、Bacteroidota (3.1%)、Firmicutes (2.1%)、Acidobacteriota (2.0%) 以及NC10 (1.3%) 。 n-DAMO古菌和n-DAMO细菌均在颗粒中被发现。在获得颗粒中鉴定出的Candidatus ‘Methanoperedens’ (9.9%)隶属于Euryarchaeota phylum ，被认为是硝酸盐型的厌氧甲烷氧化古菌。检测到的NC10门的所有序列都属于Candidatus ‘Methylomirabilis’ ，相对丰度为1.3％，已知该菌具有将亚硝酸盐还原与厌氧甲烷氧化耦合的能力。此外，隶属于Planctomycetes phylum的anammox细菌Candidatus ‘Brocadia’和Candidatus ‘Kuenenia’检出的相对丰度分别为1.7%和0.6% 。值得注意的是，已表明微生物丰度与活性之间的相关性较弱。因此仅凭当前可用信息，很难将功能性微生物（anammox细菌， n-DAMO细菌和n-DAMO古菌）的活性与它们的丰度联系起来。除上述已知功能的微生物群体外， Candidatus‘Roizmanbacteria’ (16.4%)、Chloroflexi_SBR1031 (6.6%)、Anaerolineaceae_uncultured(4.7%) 以及SM1A02 (4.7%)等其他高丰度群体亦被检出。由于甲烷是唯一提供的碳源，因此这些无法识别的微生物的生长更可能依赖于细胞裂解所释放的有机碳或其他微生物所分泌的细胞外聚合物质（EPS）/氨基酸。例如， Candidatus ‘Roizmanbacteria’被保存在缺乏培养典型方式的superphylum candidate Parcubacteria中。最近的一项研究分析了该组中的12个单扩增基因组，显示了其多糖摄取和硝酸盐还原的呼吸能力。隶属于Chloroflexi门和Anaerolineaceae科的微生物通常相伴于n-DAMO和anammox培养物被检出。这些微生物群体被认为使用细胞裂解产生的有机碳进行生长并且在颗粒化进程中发挥作用。相似地， SMA1A02也通常在n-DAMO和anammox培养物中被检出，但其功能仍然有待研究。此外，研究通过将颗粒切成7层来研究颗粒径向上的微生物分层，并通过16S rRNA基因扩增子测序阐明了每一层的微生物群落（图4 B）。 PCA散点图显示了内层（第1-6层）和外层（第7层）之间的清晰分隔（图4 C）,说明微生物群落从颗粒表面到颗粒内层的差异。此外，热图（图4 D）显示了n-DAMO古菌、n-DAMO细菌和anammox细菌在不同层（第1层到第7层）的分布，证实了anammox细菌和n-DAMO古菌分别在外层和内层的优势。同时，仅在内层（第1-6层）检测到n-DAMO细菌，其在颗粒表面与厌氧氨氧化菌的竞争中已失去优势。研究通过冷冻切片-FISH的方法进一步验证了三种关键微生物群体的分布（图4 E和F）。将n-DAMO絮体与成熟的anammox颗粒混合后， n-DAMO细菌和n-DAMO古菌成功地附着在anammox颗粒的表面，并聚集在一起（图4 E）。大约4个月的富集后（图4 F），大多数n-DAMO微生物转移至颗粒的内侧，外层被anammox细菌包被，但仍可观察到少量在颗粒表面与anammox细菌紧密生长。通过FISH观察到的这种独特的微生物分层与冷冻切片法结合16S rRNA基因扩增子测序的结果一致（图4 B）。这种现象可能与这些微生物的动力学特征和底物的生物利用性有关。尤其地，由于液相基质中不提供硝酸盐， n-DAMO古菌可能不会在颗粒表面生长。此外，具有较高亚硝酸盐亲和力（0.05 mg N/L）的anammox细菌在亚硝酸盐竞争中可能会优于亚硝酸盐亲和力较低（0.1 mg N/L）的n-DAMO细菌。其次， n-DAMO微生物的生长速度非常慢，倍增时间超过数周。因此，具有较高剪切力的颗粒表面不利于这类缓慢生长的微生物生长，而颗粒的内层将起到保护作用以免生物质流失。