通过重建农业用水分配系统中的微生物群落来控制电化学生物膜（微生物菌群多样性案例）

其他微生物菌群多样性案例解读：

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【期刊】Journal of Hazardous Materials（IF 9.3038）

【作者单位】中国农业大学水利与土木工程学院

【DOI号】10.1016/j.jhazmat.2020.123616

前情提要：

生物膜是整合的多物种细胞群体，它们嵌入自我产生的细胞外聚合物（EPS）基质中。生物膜的存在是农业用水分配系统中不可避免的问题，并带来了许多不必要的问题，迄今为止，化学杀生物剂在控制农业用水分配系统的生物膜方面占据着市场主导地位，最常见的方法是使用定期氯化来抑制管道中微生物的生长。然而，由于氯化作用有时无效，并且对环境风险，其消毒副产物会对环境产生风险，治理成分高，因此氯化变得越来越受限。近来，由于高杀菌速度和便利性的优势，电化学处理（ECT）在控制生物膜方面受到越来越多的关注。此外，由于ECT产生的卤化消毒副产物比传统的氯化处理要少，因此ECT被认为是一种更绿色的抗生物污垢技术。尽管尚未评估其抗生物膜能力，但ECT可能是控制农业用水分配系统中生物膜的潜在方法。目前，ECT对微生物群落内部相互作用的影响尚不清楚，了解ECT对微生物群落及其相互作用的影响将揭示水分配系统中ECT潜在的抗生物结垢机制。因此，在本研究中，构建了用于生物膜培养的农业用水分配系统，并评估了ECT的抗生物污垢作用。该研究的主要目的是确定ECT在农业用水系统中的抗生物膜能力，阐明ECT如何塑造微生物群落结构以及微生物之间的相互作用，并开发出更有效的电化学生物膜控制方法以供应用。

材料与方法：

样本分组：共分为3个样本组（CK组-无ECT处理组，Con_ECT-连续ECT处理，Int_ECT间接ECT处理）,每个处理组取6次平行。

环境因子测量：生物膜干重（DW）、细胞外多糖（EPR）、细胞外蛋白（EPO）。

高通量测序方案：16S V3-V4区扩增（341S-806R）。

实验结果：

1、ECT下生物膜成分和发射极性能特性

（图1.生物膜成分的含量和发射极放电情况。注：a，b分别代表细胞外蛋白和细胞外多糖含量； c代表DW的内容； d表示发射极放电的变化。）

ECT后EPS含量显着降低。其中，连续电化学处理组与对照组相比，含量降低了36.0％〜47.4％。但是最初对形成的生物膜进行Int_ECT处理时，其含量降低了36.4％–60.6％。 Int_ECT的处理对生物膜感受器的控制效果优于Con_ECT。生物膜生物质主要由细胞外蛋白（EPO）和细胞外多糖（EPR）组成的EPS结合在一起。通常，EPO决定生物膜的内聚力，EPR可以反映生物膜结构的稳定性。DW含量减少的结果验证了上述的两个结论。与CK相比，Con_ECT处理的生物膜DW含量显着降低了37.5％〜67.3％，而Int_ECT处理的去除效率更高，去除率为79.9％（图c）。ECT组中特征性生物膜成分（EPS和DW）的减少导致有效地保持了发射极的性能，Con_ECT处理中Dra增加了9.0％，而Int_ECT处理中（图d），Dra从最初的75％增加到了90.9％。

2、生物膜微生物菌群的多样性

从CK，Con_ECT和Int_ECT生物膜样品中获得了总共777,181个高质量的微生物16S V3-V4序列，并按97％的相似度分类为2794个操作分类单位（OTU）。丰富度指数（Chao1）和香农多样性指数的变化如图所示。

与CK相比，Con_ECT处理，Int_ECT处理的生物膜Cho1丰富度分别显着降低（p <0.05，Wilcoxon秩和检验）（图a）。在ECT下，香农多样性降低了3.1％–7.2％（图b），但幅度不大。通过ANOSIM和PERMANOVA分析，β多样性显示出CK，Con_ECT和Int_ECT处理之间的显著差异，它们在PCoA的不同象限上被彻底分离（图c）。 PCoA图的两个轴描述了CK和Int_ECT处理之间的显著差异（p <0.05）。结果表明，通过电化学处理，发射器中附着的生物膜的细菌群落结构发生了显着变化。

3、微生物群落组成

（a）细菌门的微生物群落组成（丰度>1％）

（b）检测到的细菌的分类树状图。节点对应于OTU，节点大小对应于它们的相对丰度。边（连接节点的线）代表从根（细菌）到OTU级别的分类路径，OTU是网络图中最低的分类节点。门的水平由不同的颜色编码。具有白色结点的OTU代表无显著差异，而红色结点代表OTU在处理之间存在显著差异（p <0.05）。

细菌群落的总体组成可以在图中看到，从门到OTU的水平。在三种生物膜处理中，以细菌杆菌为主（30.5％– 63.3％），其次是酸杆菌（4.4％–24.0％），拟杆菌（3.7％–21.3％），放线菌（1.5％–15.2％）和绿弯曲菌（ 2.4％–18.1％）（图a）。电化学处理后，酸性细菌和绿弯曲菌的相对丰度呈下降趋势，而放线菌的相对丰度呈相反趋势。OTU的相对丰度在生物膜中具有显着差异（Wilcoxon秩和检验，p <0.05）。

4、系统发育分子生态网络（pMENs）描绘的整体微生物相互作用

结果表明，所有网络连接分布都很好地符合powerlaw模型 （R2> 0.70）。这表明大多数OTU间的联系很少，而少数OTU的联系很多。结果都表明，ECT处理中的微生物成分比CK处理具有更紧密的网络相互作用。高度连接的节点对于网络的稳定性至关重要，如果这些节点丢失，将导致更大的可变性。结果表明，大多数连接物种已从CK处理的Caldilineaceae（OTU_1043）变为Con_ECT处理的芽孢杆菌（OTU_3390）和Hydrogenophaga（OTU_519）以及Roseomonas（OTU_2124），Rhodobacter（OTU_790）和Int_ECT处理的Hydrogenophaga（OTU_519）。关键物种在ECT下有很大的不同。 CK处理中有3个连接器（节点与多个模块连接），分别为Coxiella（OTU_979），Xanthomonadales（OTU_2972），Sandaracinaceae（OTU_3371）。对于Con_ECT处理，粘球菌（OTU_764）和醋杆菌（OTU_827）分别用作1个连接器和1个模块集线器（与模块中的节点高度连接的节点）。而在Int_ECT处理中，只有1个连接器，黄杆菌（OTU_666）。

研究结论：

（1）ECT可以有效减少农业供水系统中生物膜生物量和EPS的含量，去除效率分别为31.3％–52.1％和16.7％–77.6％。在Con_ECT处理中，流量变化率（Dra）增加了9.0％，而在Int_ECT处理中，Dra从初始的75％增加到实验结束时的90.9％，因此，ECT有效地保持了发射器的性能；

（2）ECT显著转移了生物膜内的微生物群落。 CK，Con_ECT和Int_ECT处理之间的差异OTU显著不同（p <0.05）。这些OTU主要分布在变形杆菌，酸性杆菌，拟杆菌，放线菌和绿弯曲菌中。在ECT下，细菌群落多样性降低，其中Chao1和Shannon指数分别降低了13.2％–20％和3.1％–7.2％。

（3）分子生态网络分析结果表明，ECT降低了微生物网络的复杂性。与CK相比，ECT组中的网络的阳性连接总数，平均连接性和平均路径距离分别减少了7.2％–19.2％，7.3％-5.1％，4.6％–9.9％和4.3％–7.8 ％；

（4）关键细菌种类和微生物多样性的变化与EPS含量和生物膜含量之间存在明显的相关性，这意味着ECT可以通过改变微生物群落来减轻生物膜的影响。但是，ECT组中的耐氯细菌（例如黄杆菌，微单孢菌，假单胞菌）增加了控制生物膜形成的潜在风险。间歇性ECT似乎可以更有效地清除农业灌溉系统中形成的生物膜。