Exploring the microbial influence on seasonal nitrous oxide concentration in a full-scale wastewater treatment plant using metagenome assembled genomes

使用宏基因組組裝的基因組探索微生物對大型廢水處理廠中季節(jié)性一氧化二氮濃度的影響

來源：Water Research 219 (2022) 118563

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過三年監(jiān)測丹麥Avedore污水處理廠（WWTP），結(jié)合宏基因組組裝基因組（MAGs）分析，探究季節(jié)性N?O排放的微生物機制：

 

N?O排放規(guī)律：春季出現(xiàn)溶解態(tài)N?O濃度峰值（>0.138 g N/m3），秋季降至最低（圖2A）。

 

微生物關(guān)聯(lián)性：發(fā)現(xiàn)54種微生物與N?O濃度顯著相關(guān)（26種正相關(guān)，28種負相關(guān)），其中4種負相關(guān)菌的基因組具備N?O還原潛力（圖4）。

 

 

功能基因特征：

 

僅檢出1株完全反硝化菌（Candidatus Dechloromonas phosphorivorans）。

 

59個物種含nosZ基因（多為clade II型），主要來自擬桿菌門（Bacteroidota）（圖6）。

 

 

功能菌群影響：硝化細菌（NOB）和N?O還原菌豐度與N?O濃度呈顯著負相關(guān)（圖8）。

 

 

研究目的

 

解析季節(jié)性N?O排放驅(qū)動機制：明確微生物群落結(jié)構(gòu)變化與N?O排放模式的關(guān)聯(lián)。

 

識別關(guān)鍵功能微生物：通過MAGs挖掘潛在N?O產(chǎn)生菌與還原菌的基因組特征。

 

評估工藝調(diào)控潛力：為降低WWTP溫室氣體排放提供微生物學(xué)依據(jù)。

 

研究思路

 

采用 “長期監(jiān)測→群落分析→基因組驗證”策略：

 

數(shù)據(jù)采集：

連續(xù)三年監(jiān)測溶解態(tài)N?O濃度（Unisense電極）、水質(zhì)參數(shù)（COD/N比、硝酸鹽濃度）（圖2A）。

每周采集活性污泥樣本進行16S rRNA測序（共124個樣本）。

 

微生物分析：

 

基于MiDAS數(shù)據(jù)庫匹配MAGs（367個物種中124個獲高質(zhì)量MAG）。

鑒定與N?O濃度顯著相關(guān)的物種（Pearson相關(guān)性分析，p<0.01）（圖4）。

 

功能基因注釋：

 

用KEGG/EnrichM預(yù)測氮轉(zhuǎn)化基因（amo, hao, nirK, nosZ等）（表1）。

 

構(gòu)建關(guān)鍵基因（nosZ, nxrA）系統(tǒng)發(fā)育樹（圖6）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. N?O季節(jié)排放規(guī)律（圖2A）

數(shù)據(jù)：春季N?O濃度峰值（0.2 g N/m3），秋季降至0.05 g N/m3，與溫度/COD/N比無直接關(guān)聯(lián)。

意義：排除非生物因素主導(dǎo)，暗示微生物群落的季節(jié)性演替是關(guān)鍵驅(qū)動。

 

2. 微生物- N?O相關(guān)性（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

正相關(guān)菌：如Terrimonas（含norBC/nosZ基因），豐度與N?O同步升高。

負相關(guān)菌：如Candidatus Amarolinea（含nosZ），豐度高時N?O濃度低。

意義：首次將Saprospiraceae（擬桿菌門）鑒定為潛在N?O還原菌，拓展N?O代謝微生物多樣性認知。

 

3. 功能菌群豐度動態(tài)（圖8）

 

數(shù)據(jù)：

 

N?O還原菌（含nosZ）累積豐度與N?O濃度顯著負相關(guān)（r=-0.48, p=5.6×10??）。

硝化細菌（NOB）豐度與N?O負相關(guān)（r=-0.37, p=0.0023）。

意義：揭示微生物功能群協(xié)作（非單一菌種）調(diào)控N?O排放。

 

4. N?O還原基因特征（圖6）

 

數(shù)據(jù)：

72個nosZ基因中69個為clade II型（非經(jīng)典反硝化菌），75%源于擬桿菌門。

僅3個菌含clade I型nosZ（傳統(tǒng)反硝化菌）。

意義：挑戰(zhàn)“反硝化菌主導(dǎo)N?O還原”傳統(tǒng)認知，強調(diào)環(huán)境微生物（尤其擬桿菌）的減排潛力。

 

結(jié)論

 

季節(jié)性機制：N?O排放峰值由微生物群落結(jié)構(gòu)變化驅(qū)動，非非生物參數(shù)主導(dǎo)。

 

關(guān)鍵微生物：

Ca. Amarolinea、Saprospiraceae等含clade II型nosZ的菌是潛在N?O還原主力。

Terrimonas等正相關(guān)菌可能促進N?O產(chǎn)生。

工程啟示：富集clade II型nosZ菌（如擬桿菌門）可優(yōu)化WWTP減排策略。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)原理

 

Unisense N?O微電極：

 

原位監(jiān)測溶解態(tài)N?O濃度，分辨率達0.1 μM，實時反映生物反應(yīng)器內(nèi)N?O動態(tài)。

 

直接插入活性污泥混合液，避免氣相擴散延遲，捕捉瞬態(tài)變化（如好氧/缺氧轉(zhuǎn)換期）。

 

核心發(fā)現(xiàn)（圖2A）

 

動態(tài)規(guī)律：

溶解態(tài)N?O濃度呈明顯季節(jié)性波動，春季達年度峰值（0.2 g N/m3）。

日內(nèi)波動顯示N?O在低氧時段積累，支持“微生物代謝失衡致排放”假說。

 

空間關(guān)聯(lián)：

N?O濃度與曝氣池DO呈負相關(guān)（r=-0.64），印證低氧促進反硝化中間產(chǎn)物積累。

 

研究意義

 

機制解析：

揭示N?O液相生成動態(tài)，彌補氣相監(jiān)測的滯后性（如GC-MS僅測累積排放）。

證實季節(jié)性排放與微生物活性同步變化，為群落功能研究提供時間維度證據(jù)。

 

工藝優(yōu)化：

識別N?O爆發(fā)時段（春季低氧期），指導(dǎo)精準曝氣控制。

定量N?O還原潛力（如負相關(guān)菌豐度＞5%時N?O降低40%），支撐菌群調(diào)控策略。

 

模型校準：

提供高分辨率N?O生成速率數(shù)據(jù)（如0.05→0.2 g N/m3/月），優(yōu)化排放預(yù)測模型。

 

總結(jié)：Unisense電極通過原位捕捉溶解態(tài)N?O的時空動態(tài)，將微生物群落演替與溫室氣體排放直接關(guān)聯(lián)，為解析復(fù)雜生物系統(tǒng)的N?O代謝網(wǎng)絡(luò)提供了不可替代的技術(shù)支撐。