无机碳胁迫下，优势和稀有微生物亚群落如何分化？

期刊：《Bioresource Technology》

影响因子：9.642

最近，派森诺生物再次与西北农林科技大学合作，在《Bioresource Technology》发表论文，探究了在厌氧氨氧化耦合反硝化（SAD）过程中，是否优势微生物与稀有类群在对IC/NH4+-N胁迫的反应中呈现出截然不同的生物多样性模式，还是存在差异的潜在群落组装机制。

研究背景

近几十年来，生物反硝化工艺正处于由以下两个方面推动的重大变革时期。一方面，有必要对过去30年建成的一些污水处理厂进行改造。另一方面，日益严格的废水营养指南的推动正在世界各地实施。因此，工业和城市污水处理厂（WWTPs）的能源中性和资源回收存在主要需求。厌氧氨氧化（anammox）过程已经在许多WWTPs工程中成功运行，因为它们在反硝化方面具有成本效益和能源效率。在这些过程中，厌氧氨氧化耦合反硝化（SAD）过程已经演变为解决能源自给自足，N2O排放和碳足迹的策略。然而，厌氧氨氧化细菌对环境因素（包括pH，溶解氧（DO）和C/N比等）的敏感性一直是SAD过程主流应用的限制因素。

研究目的

探究以下三个问题：

（1）在不同的IC/NH4+-N比率胁迫下，优势和稀有类群是否存在不同模式？

（2）优势和稀有类群共同作用是怎么样的？影响优势和稀有类群动态的主要驱动因素是什么？

（3）哪些细菌亚群落是氮转化的关键调控因子？

研究方法

测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台

测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V3-V4区测序

实验对象：已运行4年的实验室规模的测序间歇反应器（SBR）中，每个阶段结束时采集5个污泥样本，混合为1个。总共7期共产生7个样本。

研究结果

1、优势和稀有亚群落的异质性

经过质量过滤和拼接全部污泥样品生成了149,108个细菌16S V3-V4高质量序列，然后根据97%相似度进行划分，得到2495个OTU。优势（>0.05%）和稀有（<0.001%）分类水平分别包含116和822个OTU，分别占OTU总数的4.6%和32.9%。瞬时分类单元（介于优势和稀有物种之间）由1557个OTU组成，占OTU总数的62.4％。从群落组成和动态的角度来看，优势、稀有和瞬时的群落组成大不相同。另外，观察到的优势分类单元在所有样品都存在，而稀有分类单元只在来自第IV阶段、第V阶段和第VII阶段的样本中存在。通过Wilcoxon秩和检验，稀有的和优势的亚群落在IC/NH4+-N比值约束有显著差异（P < 0.05）。在瞬时分类单元和整个群落中，Proteobacteria，Chloroflexi和Planctomycetes是SAD系统中的优势门，这些门可能对反硝化起关键作用。这些结果表明，不同生存策略已被优势、稀有和瞬时分类单元所采用。

图1 在不同的处理阶段，不同亚群落和整个群落中的门的分布

2、环境因素与微生物群落之间的联系

基于未加权UniFrac距离矩阵，PCoA的结果表明，优势和稀有亚群落之间的大部分差异可以归因于不同的IC/NH4+-N比值。与优势亚群落和整个群落相比，稀有亚群落具有独特的生物多样性模式。此外，基于加权UniFrac距离，NMDS结果显示，不同的IC/NH4+- N比值对分组模式有较大的影响。观察到，低IC/NH4+-N比值（0-0.4）和高IC/NH4+-N比值（0.7-1.3）的样本分别在优势的分类单元和整个群落中聚类更近。基于Spearman相关性的Mantel 检验结果进一步证实，优势亚群落（R2 = 0.832，P < 0.001）相比于稀有亚群落（R2 = 0.658，P < 0.001）和整个群落更相似。鉴于第IV至第VII阶段的NO2-N去除效率，因此得出结论认为，稀有亚群落限制了分布，并对NO2-N的去除作出了重大贡献。RDA分析结果表明，IC/NH4+-N比值是形成优势亚群落的主要因素。COD是形成稀有亚群落的主要因素。

图2 属水平共生网络图

3、不同细菌亚群落的共生模式

优势和稀有亚群落呈现出鲜明的共现模式，暗示了它们在非生物胁迫下不同的生存策略。优势和瞬时亚群落之间内部联系大于瞬时和稀有亚群落之间的联系。优势亚群落比稀有亚群落分布得更广。稀有亚群落受到非生物胁迫的强烈负选择，内共生模式的发生率较高。

4、氮循环的功能属和关键基因

与同化硝酸盐还原基因相关的nasA基因比nasB和nirA基因更优势。至于反硝化基因，nirK，nosZ，norC，qnorB，nirS和nirD在第VII阶段更优势。包括narG，napA和nrfA等在内的所有功能基因在III-V阶段具有较高的丰度。另外，与氨氧化有关的基因（amoB / C和hao）在V-VII期具有更高的丰度。KEGG分析显示，III-VI阶段（IC/NH4+-N比值为0.1-1.0）样品具有更多的TCA循环(1.01-1.35%)和氮代谢(2.60-2.84%)的功能基因。与其他阶段相比，来自第VII阶段的样品具有更多的脂肪酸代谢功能基因（0.057％），表明更高的IC/NH4+-N比进了这些异养微生物中的有机物质氧化。筛选出的属，11个和12个功能属分别获得优势和稀有的亚群落。这些功能属在去氮和COD中起到关键作用。

图3 氮循环功能基因预测

5、生态关联和定量反应关系

SAD系统中的厌氧氨氧化生物质对非生物胁迫具有一定的抗性。厌氧氨氧化和DNRA是NH4+-N转化的关键途径。稀有分类单元是NH4+-N积累的关键调控因子，而大量分类单元是NH4+-N消耗的主要调控因子。

总 结

在IC/NH4+-N比胁迫下，优势和稀有的细菌具有不同的组合模式，环境因素对这两个细菌亚群落有不同的影响。另外，Ca. Brocadia通常是优势种，对IC胁迫具有较高的抗性。高IC/NH4+-N比（0.7-1.3）有利于HET、NIR、NAR和Ca. Jettenia，低IC/NH4+-N比（0-0.7）有利于AOB和NOB。稀有分类单元是NH4+-N积累和NO2--N消耗的关键调控因子。

文章索引：

Duntao Shu, Hong Yue, Yanling He, Gehong Wei (2018)Divergent assemblage patterns of abundant and rare microbial subcommunities in response to inorganic carbon stresses in a simultaneous anammox and denitrification (SAD) system .Bioresource Technology.257（2018）249-259