关键词:
好氧氨氧化
群体感应
N-酰基高丝氨酸内酯
代谢活性
群落演替
厌氧氨氧化
摘要:
随着污水处理排放标准的提高,高效脱氮需求的日益增长,强化氨氧化功能菌(Ammonia Oxidizing Microorganisms,AOMs)的活性成为提升系统效能的关键。群体感应(Quorum Sensing,QS)信号分子N-酰基高丝氨酸内酯(N-Acyl-Homoserine Lactones,AHLs)能够调控微生物代谢与群落互作,为氨氧化过程的优化提供了新思路。
本研究以污水生物处理系统为研究对象,以c DNA高通量测序技术、宏转录组测序技术和超高效液相色谱-串联质谱等为核心分析手段,探究了好氧AOMs、厌氧氨氧化微生物(Anaerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria,An AOB)及其他核心脱氮功能菌群的代谢活性和群落演替对不同外源AHLs的响应规律,主要研究结果如下:
1)外源投加长链AHLs对AOMs代谢活性及群落演替的影响研究。探究了在AOMs特定抑制剂(咖啡酸(Caffeic Acid,CA)、1-辛炔(1-Octyne,OCT)、烯丙基硫脲(Allylthiourea,ATU))的胁迫下,研究长链AHLs(C10-HSL和3-oxo-C12-HSL)对好氧氨氧化速率的调控效应,其中CA、OCT和ATU分别为氨氧化古菌(Ammonia Oxidizing Archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia Oxidizing Bacteria,AOB)和总AOMs专属抑制剂。结果表明,投加50μM C10-HSL与3-oxo-C12-HSL均能强化AOMs抑制剂胁迫下的AOMs代谢活性。C10-CA、C10-OCT和C10-ATU组的氨氧化速率(Ammonia Oxidation Rates,AOR)分别比仅投加抑制剂组(CA、OCT和ATU组)分别提升了1.08倍、1.07倍和1.16倍。qPCR结果表明,C10-OCT和C10-ATU组的AOB amo A表达丰度分别较OCT和ATU组提高了6.38倍和9.52倍;外源投加3-oxo-C12-HSL稳定维持AOA amo A在抑制条件下的高丰度基因表达(平均丰度3.15×10~4 copies/μL c DNA)。c DNA高通量测序进一步证实,C10-HSL与3-oxo-C12-HSL的投加显著富集了Nitrosomonas属的多种AOB菌种。污泥中AHLs的赋存特性表明AOMs可能通过选择性利用特定AHLs以应对环境压力。QS细菌与AOB功能基因及氨氧化速率呈显著正相关(p≤0.05),其中Nitrosomonas europaea与QS细菌的互作关系最为紧密(p≤0.001)。
2)外源投加短链AHLs对AOMs代谢活性及群落演替的影响研究。探究了在抑制性环境条件下,外源投加短链AHLs对污泥中AOMs的氨氧化活性和群落演替的影响。结果表明,50μM的C6-HSL和C8-HSL通过差异机制强化在抑制条件下的AOMs群落优势度和功能基因表达。在C6-CA和C6-ATU样品中,AOA菌种Nitrososphaera viennensis被富集。在C6-ATU样品中,AOB amo A和完全氨氧化菌(Complete Ammonia Oxidizing Bacteria,Comammox)amo A的丰度分别是C6的2753.29倍和47.60倍。C8-CA组和C8-OCT中的Comammox amo A丰度分别较对照提升了4.54%和3.6倍。外源投加短链AHLs导致QS细菌丰度增加,AHLs-QS相关基因表达活跃,对不利条件下AOMs的功能恢复和群落结构起到正向调控作用。
3)外源投加AHLs对A/O/A系统低温条件下脱氮性能及功能菌群演替的影响研究。在低温条件下,探究了外源投加AHLs(C6-HSL与C10-HSL)对A/O/A系统AOMs功能活性及QS网络的长周期调控效应。结果表明,外源长周期投加50μM C6-HSL与C10-HSL均强化了系统的长周期脱氮性能及脱氮功能活性。10℃低温胁迫下,外源C6-HSL的投加提升了系统AOMs和反硝化菌的基因表达,使氨氧化活性较对照反应器提高了32.64%,内碳源反硝化速率提高了32.5%。外源C10-HSL对Comammox的代谢活性具有积极影响,外源投加C10-HSL的R3反应器中的Comammox amo A的丰度较R1提高了48.28%。C10-HSL的投加使得反应器在进水氨氮浓度翻倍后持续保持了高抗冲击能力,R3阶段三A2段的平均TN损失较R1提高11.20%。QS功能基因分析显示C10-HSL促进了Lux I合成酶基因和Lux R受体蛋白的基因表达,表明外源投加C10-HSL可通过群体感应强化菌群抗低温与高负荷胁迫能力。
4)外源投加AHLs对侧流一体