新葡萄京娱乐场官方网站


  • 免费服务热线
  • 400-065-6886
  • 电话:86(0)512-6295 9990
  • 传真:86(0)512-6295 9995
资讯中心

喜讯!新葡萄京娱乐场官方网站16S扩增子绝对定量测序项目文章登陆《Bioresource Technology》

发稿时间:2020-11-09来源:新葡萄京娱乐场官方网站生物



可点击相关项目文章链接:

1.新葡萄京娱乐场官方网站16S扩增子绝对定量测序项目新文:三种双歧杆菌共生关系导致双歧杆菌在含有唾液酸化免疫球蛋白G的人类肠道菌群体外发酵中数量增加
2.新葡萄京娱乐场官方网站16S扩增子绝对定量测序项目新文:粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子通过改善肠道失调和减轻炎症来保护小鼠免受肝细胞癌侵害
3.新葡萄京娱乐场官方网站16S扩增子绝对定量测序项目新文:金针菇β-型糖苷多糖对结肠炎小鼠的抗炎及肠道菌群调节作用
4.喜讯!新葡萄京娱乐场官方网站生物16S扩增子绝对定量测序项目文章再次登陆《Science of the Total Environment》
5.又一篇!新葡萄京娱乐场官方网站生物微生物16S扩增子绝对定量测序技术再发好文
6.祝贺!新葡萄京娱乐场官方网站生物16S扩增子绝对定量测序技术助力客户登陆Science of the Total Environment




以页岩陶粒(SC)和活性氧化铝(AA)为填料,构建日处理量为0.46 m/ d的中试规模两级潮汐流人工湿地TFCWSC-AA-TFCW),用于低温(<15℃)营养物质的去除。SC-AA-TFCW对氮和磷的去除率分别为78.1%98.3%SC-TFCW对有机物的去除率为55.2%,对颗粒物的去除率为85.6%。在17种反硝化细菌中,好氧反硝化细菌(ADNB)的绝对丰度最高,其次是兼性厌氧反硝化细菌(FADNB)和自养反硝化细菌(AUDNB)。氮同化为有机氮、异化同化硝酸盐还原和完全反硝化(完全脱氮)可能是氮代谢的主要途径。一些好氧反硝化细菌(ADNB)(如ZoogloeaPseudomonasAcidovorax)与营养物质去除相关的关键功能基因之间存在正交互作用。溶解氧和还原元素是改变好氧反硝化细菌(ADNB)组成的主要环境因素。 这项研究强调了好氧反硝化细菌(ADNB)的重要性及其在SC-AA-TFCW中对多孔基质的协同作用。



与城市污水相比,来自一些公共建筑和居民区的分散式生活污水通常营养物浓度较低,分布较广。人工湿地(CWs)被认为是氮(N)和磷(P)净化的有效且低成本的选择,它主要依赖于底物和微生物通过复杂的物理、化学和生物过程的协同作用。然而,对于低温下总氮(TN)和总磷(TP)的高效稳定去除仍然是一个挑战,尤其是在低温条件下,总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别低于50.4%28.2%。溶解氧(DO)不足会降低氮的生物降解,传统基质(如砾石和沙子)的低吸附容量限制磷的吸附。因此,如何提高基质与微生物的这种协同作用是人工湿地(CWs)处理分散生活污水的关键。

潮汐人工湿地(TFCWs)作为改良的人工湿地,可以在不增加曝气量的情况下,通过“淹没/浸润”和“排水/闲置”阶段的有节奏循环来改变厌氧和好氧环境。另外,近年来,多孔基质在TFCW中得到了广泛应用,这不仅是由于对微生物具有良好的吸附性能和栖息环境,而且在多孔基质中通过“潮汐操作”进行良好的复氧,有利于同步硝化反硝化(SND)过程(在处理系统中,硝化和反硝化反应往往发生在同样的处理条件及同一处理空间内)。之前的研究发现在TFCW中引入生物炭,获得了较高的NH4 +-N去除效率。同时,提出沸石对NH4 +-N的快速吸附和生物降解动态过程理论。然而这些单级TFCWs在同步硝化反硝化(SND)过程后期不能调节溶解氧(DO)和有机碳源供应,导致NO3--N积累(>10mg/L),总氮(TN)净化性能不理想。此外,磷吸附基质(如天然黄铁矿、铝土矿和泥炭)被广泛应用于人工湿地(CWs)中,以提高总溶解磷(TDP)的去除率。然而,很少有人研究去除人工湿地生活污水中主要的P污染物-颗粒磷(PP)。活性氧化铝(AA)具有比表面积大、多结合位点等优点,在TFCW中具有很好的同时去除总溶解磷(TDP)和总氮(TN)的能力,同时,活性氧化铝(AA)的高孔隙率可能增加单级TFCW的堵塞风险。与AA相比,页岩陶粒(SC)粒径较大,是去除颗粒磷(PP)的理想选择。因此,有必要设计一个两阶段的TFCW,将页岩陶粒(SC)设置为第一阶段,将活性氧化铝(AA)设置为第二阶段,从而有效去除总磷(TP)并延长CWs的使用时间。两阶段的TFCW可以调节不同的再氧化条件和有机碳源供应,从而在低温下实现有效的总氮(TN)去除性能。

微生物在人工湿地的污染物清除中起着关键作用。研究发现基于传统砾石的两级人工湿地深度测序在第一阶段成功培养反硝化微生物,在第二阶段成功发现了氨氧化细菌(AOB)。同样,多级垂直流人工湿地通过提高细菌的丰度从而进一步促进沸石,页岩和陶粒对氮的转化。活性炭和陶粒在人工湿地中的组合施用通过硝化,好氧反硝化和厌氧反硝化促进了NH4 +-N的去除。此外,铁碳人工湿地同时增强了异养和自养反硝化对NO3--NTDP去除的协同作用。上述研究主要指出功能菌属与氮去除之间的潜在关系。然而,很少有人关注尤其是在低温下人工湿地中的微生物种间相互作用或它们的协同作用。此外,有些研究在实验阶段末期强调氮代谢关键基因的重要作用,而忽视了与氮磷去除相关的关键基因和功能菌属在整个人工湿地运行过程中的协同作用。更重要的是,准确反映了不同运行阶段样品中微生物的绝对丰度的16S扩增子绝对定量测序技术在这些人工湿地中还没有得到应用。此外,基质特性及其变化也会影响功能菌属组成和污染物去除途径,然而,在低温下人工湿地中,与氮和磷去除相关的功能菌属与受基质影响的环境因子之间的相互作用仍不清楚。

在此基础上,构建了一个第一级SC-TFCW和第二级AA-TFCW的两级中试规模TFCW,命名为SC-AA-TFCW。本研究的具体目标是:1)研究低温(<15℃)下氮、磷的去除性能,并探讨TFCW不同阶段污染物去除的主要贡献;2)用16S扩增子绝对定量测序技术确定微生物群落和功能菌属的变化;3)揭示启动和稳定阶段的氮和磷代谢途径; 4)确定与氮磷去除相关的功能菌属、关键代谢基因和环境因子之间的联系。基于以上结果,阐述了多孔基质与微生物协同去除污染物的能力。



基质:

SCAA的粒径分别在15~20mmD80=17mm)和5~8mmD80=6mm)之间。采用多点Brunauer-Emmet-Teller n2吸附-解吸等温线测定了基质的比表面积、孔体积和平均孔宽。用X射线衍射(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对基体中的主要无机化合物进行了分析。

SC-AA-TFCW的构建和运行:

实验是在中型SC-AA-TFCW上进行的,该SC-AA-TFCWSC-TFCWAA-TFCW组成,并具有相同的配置(长×宽×高= 1000 mm×800 mm×800 mm)。每个下行TFCW主要由入口区、基底区和出口区组成(图1)。相邻区域由隔板隔开,隔板上有均匀分布的小孔,用于分配水。在进水区,建立了由多孔PVC管组成的水分配器,以实现均匀的水分配。基底区域(长×宽×高=1000mm×800mm×600mm)全部填充SCAA。美人蕉(Canna indica L.)以16/m2的初始密度种植在每个TFCW基质区上表面。为了保持进水水质稳定性,合成废水的平均浓度保持在300 mg / L化学需氧量(COD),40 mg / L NH4 +-N5 mg / L总氧化氮(TON,亚硝酸盐和硝酸盐之和),2 mg / L PP4 mg / L TDP。根据这些平均值,分别用葡萄糖,NHClKNO3,骨粉(直径<0.074 mm)和KH2 PO4制备合成废水。

SC-AA-TFCW通过自动控制系统连接,该系统由进水箱,污水泵,电磁阀和液位传感器组成。“潮汐运行”模式(填充-接触-排水-休息)的实施策略如下:1)为了在启动阶段(从第1天到第41天)在SCAA中更快地进行生物降解,进水池的废水通过启动泵、电磁阀1和电磁阀2快速(3分钟)加载到SC-TFCW上,接触时间为2小时,之后通过启动泵、电磁阀3和电磁阀4将所有废水快速(3分钟)加载到AA-TFCW上,并与基质保持接触2小时,然后启动电磁阀5将废水快速排出;2 为了在稳定阶段(第42天至第114天)更稳定地去除氮和磷,在其他操作参数不变的情况下,AA-TFCW的接触时间从2小时延长到10小时。




样品采集与测定:

每周两次从每个TFCW的入口和中间收集水样。根据标准方法(APHA2012)测量了包括CODNH4 +-NNO2?-NNO3?-NTNTDPPPTP等参数。借助于便携式Hach HQ30d多参数分析仪测量溶解氧(DO),pH和温度。在第10天、第41天、第60天和第114天,从每个TFCW的中间位置采集三份微生物样本,将三份样品混合作为一个生物膜样品,用于进一步的微生物分析。本研究采集了8个生物膜样品,包括SC10AA10SC41AA41SC60AA60SC114AA114

16S扩增子绝对定量测序:

使用E.Z.N.A.Soil DNA Kit (Omega Biotek, U.S.)8个生物膜样品中提取微生物DNADNA样品送至上海新葡萄京娱乐场官方网站生物科技有限企业进行16S rRNA扩增子绝对定量测序(V3-V4




污染物去除总体性能

在启动阶段,SC-AA-TFCW(图2a-c)中,CODNH4 +-NTN的去除率比稳定阶段波动更大(图2a-c),这是由于基质上的HL较高和生物膜未成熟造成的。有研究报道随着生物降解的增强,SC-AA-TFCW在低温下达到稳定的去除性能需要约41天,比其他人工湿地(CWs)缩短20~40天。因此,高HL有助于多孔基质上生物膜的形成,从而实现SC-AA-TFCW中污染物的去除。在稳定阶段,平均出水化学需氧量(COD)稳定在33.5±2.4 mg/L,在低温(<15℃)下去除率为90.5%。此外,TFCW第一阶段和第二阶段的COD去除率分别为55.2%35.3%。根据之前研究,有机物是人工湿地(CWs)堵塞的一个重要因素。水力停留时间(HRT)为2h时,SC-TFCWCOD的降解贡献最大,而水力停留时间为10h时,AA-TFCWCOD负荷较低,因此,两级设计可以降低AA-TFCW的堵塞风险,保证低温下COD去除性能稳定。NH4 +-NTN的出水浓度分别为7.72±0.59.39±1.4 mg/L,相应的去除率分别为80.7%78.1%,优于其他类型的两级人工湿地。SC-TFCWNH4 +-NTN的去除率分别为42.2%36.9%。此外,从第50天到第60天,SC-TFCWNH4 +-NTN的去除率表现出明显的波动,这可能是由于进水温度较低(<8°C),抑制了去除氮的功能菌属。因此,AA-TFCW进一步去除了NH4 +-N,对TN的去除率为41.2%。综上所述,SC-AA-TFCW在低温条件下保证了CODNH4 +-NTN的高效稳定去除。

SC-AA-TFCW具有高效的TP去除性能(图2d),在启动和稳定阶段,平均出水TP0.36±0.120.09±0.03 mg/LTP去除率分别为94.0%98.3%。基质吸附和沉淀是人工湿地除磷的主要机制,基质的选择和人工湿地(CWs)的设计对于长期高效稳定的除磷至关重要。具体而言,SC-TFCW在有效去除PP方面具有优势,并且可以在较短的HRT2小时)下降低堵塞风险。此外,据报道,AATDP具有较大的吸附容量。AA-TFCW平均进水TP2.51mg/L,约占TP原水的三分之一,延长了AA-TFCW的使用时间。因此, SC-TFCW缩短的水力停留时间和AA-TFCW较低的TP负荷不仅可以保证稳定的TP去除,而且可以延长SC-AA-TFCW的使用寿命。综上所述,SC-AA-TFCW在低温下具有良好的脱氮除磷性能。



SC-AA-TFCW中氮磷转化动力学研究

为了更好地理解氮和磷的转化过程,展示了一个典型循环中NH4 +-NNO2 ?-NNO3 ?-NTNPPTDPTP的变化(图3)。NH4 +-NTN10h内同时被去除,并在最后2h内保持稳定(图3a)。在整个循环过程中,没有观察到明显的NO2 ?-NNO3 ?-N的积累。另外,前4h总氮去除率为28.5mg/L,占总去除量的78.9%。总的来说,有报道表明TN可以通过异养和自养反硝化去除,而前者的速度要快于后者。本研究中在前4小时,SC-AA-TFCW中的COD/TN比值在6.685.01之间(图3b)。同样,在该阶段可以保持有氧环境,其溶解氧梯度范围为5.21-1.53 mg / L2 h)和4.72-1.64 mg / L2 h)。这些结果表明,在TFCW中高COD / TN比(> 5.0)下,好氧反硝化可以有效地去除TN,这得到了大家先前的研究的支撑。此外,有报道表明周期性复氧的好氧环境比传统人工湿地(CWs)更为密集,可以促进NH 4+-N的去除,SC-AA-TFCWs中的氧扩散也比人工曝气人工湿地(CWs)弱,这阻止了大量NO3 ?-N的积累。因此,多孔基质周期性复氧更有利于低温好氧反硝化。

SC-AA-TFCW中,TP8 h后稳定在0.1 mg / L以下(图3c)。在本研究中,TP的净化性能可以通过TDPPP的去除来体现。其中,以AA-TFCW为主,对TDP的去除率为69.5%。另外,SC-TFCWPP的去除率为85.6%。一方面,有报道表明TDP的化学吸附受CaFeAl及其氧化物和氢氧化物含量的强烈影响。铁铝氧化物是SC去除TDP的主要磷结合物(图3d)。至于AA,大量的铝氧化物/铝氢氧化物可生成-OH替代磷酸盐离子,因此,配体交换可能是TDP去除的主要途径。另一方面,有报道表明PP通常通过物理吸附去除。SC上最密集的孔径分布在22.4115.1nm之间,主要分布在中孔(250nm)和大孔(>50nm),该结果表明SC-TFCW有助于中孔和大孔对PP的大部分去除。而在AA上,孔径分布在1.886.49nm之间,多为微孔(<2nm)中孔结构。因此,配体交换的化学吸附和基质上大孔和中孔的物理吸附分别是SC-AA-TFCW去除TDPPP的主要途径。




与氮磷去除有关的功能菌属的变化

SC-AA-TFCW中,鉴定出47个优势菌属(至少一个样本>1500 copy/ng DNA)(图4a)。其中与脱氮除磷有关的17属占总拷贝数的83.2%,因此,它们的动力学可能为低温下有效的脱氮除磷奠定了基础。具体来说,Ferribacterium以低拷贝数存在于页岩陶粒(SC上。但在AA10AA41上迅速富集,在AA60AA114上逐渐减少,这说明Ferribacterium在有氧条件下更容易在活性氧化铝(AA上存活。根据以往的研究,Ferribacterium不仅与NO 3?-N异化还原为NH 4+-N呈正相关,而且Ferribacterium也被报道为好氧反硝化细菌(ADNB),在同步硝化反硝化(SND)过程中同时实现废水NH 4+-NTN去除。与Ferribacterium不同,Zoogloea是一种典型的反硝化菌,在低温下对SCAA都有很好的适应性。在启动期和稳定期,Zoogloea数量迅速增加,达到6.1×104 copy/ng DNA以上,表明其可能是低温环境下脱氮的关键好氧反硝化细菌(ADNB)。此外,有研究已证明Pedobacter可决定硝化过程,发现在8.5℃的温度下富集在SC10SC41上,然而,很少在SC60SC114上检测到(<500 copy/ng DNA)。这一变化表明,土壤细菌在启动阶段能够迅速繁殖并参与脱氮,在稳定阶段随着其他细菌的富集逐渐丧失优势。研究报道AcidovoraxThaueraDechloromonas是典型的ADNB,在SC-AA-TFCW中实现有机物和NH 4+-N的同时去除性能,而无需NO3 ?-N的积累。这些功能菌属在低温下适应迅速,持续生长繁殖,成为SC-AA-TFCW的优势菌。

至于其他与脱氮有关的属,Gemmobacter被认为是处理实际生活污水的典型缺氧反硝化菌,并在SC114AA114上富集,其绝对丰度分别为591 copy/ng DNA6745 copy/ng DNA。此外,据报道,PropionivibrioPseudoxanthomona是缺氧生物反应器中主要的反硝化菌,可同时减少NO 2?-NNO 3?-N。在本研究中,PropionivibrioPseudoxanthomonasSC-TFCW中快速富集,在AA-TFCW中也检测到大量(>3000 copy/ng DNA)。因此,Gemmobacter,PropionivibrioPseudoxanthomonas存在于好氧/间歇好氧环境中,可推断为兼性厌氧反硝化细菌(FADNB)。在稳定期,Hydrogenophaga逐渐增多,在SC114AA114中分别占1.36%7.11%。研究报道Hydrogenophaga可以作为自养反硝化细菌(AUDNB)从还原物质(如氢离子和亚铁离子)的氧化中获取能量来进行脱氮。X射线荧光分析表明,SCAA中含有丰富的还原元素(如AlFeCa)。这些元素可能在复杂的物理、化学和生物过程中产生还原物质,促进Hydrogenophaga自养反硝化。在启动阶段,所有ADNBFADNBAUDNB分别占总微生物组的92.7%4.78%2.49%,在稳定阶段分别占66.19%19.1%13.8%(图4b)。在自养属中,启动期AOB(主要是Nitrosomonas)和NOB主要是Nitrospira很少在SC-AA-TFCW中检测到,在稳定期(每个样品中<500 copy/ng DNA)以低数量存在。因此,ADNBFADNBAUDNB可能是低温高效脱氮的主要微生物途径。


在人工湿地中,微生物磷去除通常被忽略。而SC-AA-TFCW的平均磷出水浓度在稳定阶段由0.242mg/L下降到0.105mg/L,因此,应注意潜在菌属对磷去除的重要作用。据报道,Dechloromonas是去除营养物质的反硝化聚磷菌,在SC-AA-TFCW中,Dechloromonas为优势属,稳定期的绝对定量范围为327415976 copy/ngHydrogenophaga还可以同时去除纺织废水中的氮和磷。因此,DechloromonasHydrogenophaga可能在SC-AA-TFCW中对磷的去除起重要作用。