Water Research |杨玉春助理教授在Anammox驱动的污水脱氮研究中取得新进展
厌氧氨氧化（Anammox）菌可以直接将氨氮和亚硝态氮转化为氮气，从而实现低碳高效脱氮，Anammox一经发现便被广泛研究应用于污水生物脱氮，目前已经开发出了多种Anammox驱动的脱氮工艺。但是，因为厌氧氨氧化菌具有生长缓慢，只能在高氨氮的环境中才能实现高效富集，其活性易被复杂污水中的高浓度有机物和氧气抑制等特点，使其在全尺度污水处理体系中的应用受到了极大的限制。本研究的合作者广东工业大学的许燕滨教授团队成功将Anammox应用于养殖废水处理厂的主流污水处理工艺中，并实现稳定和高效脱氮。基于前期研究基础，本研究结合宏基因组、宏转录组以及15N同位素示踪技术（广州大学洪义国教授团队），深入分析了养殖废水处理厂不同类型反应池中微生物驱动的脱氮过程及参与的核心微生物，系统地解析了Anammox在不同类型反应池中的丰度、活性、脱氮贡献及其与其它微生物间耦合脱氮的机制。本研究结果为Anammox在污水处理体系中的广泛应用提供重要参考。
图片摘要：养殖废水处理厂脱氮工艺模式图
该养殖废水处理体系通过厌氧-缺氧-厌氧-有氧四个反应池的串联实现了99.63%的高效脱氮（图1）。通过对不同反应池中的微生物群落以及氮循环相关基因的转录分析发现，虽然微生物的丰度在不同类型的反应池中存在一定差异，但是4个反应池中均建立了典型的同步硝化-厌氧氨氧化-反硝化（SNAD）脱氮工艺，即流入氨被氨氧化菌（AOB）、古菌（AOA）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）氧化，产生的亚硝酸盐和硝酸盐被厌氧氨氧化菌和反硝化菌进一步还原为氮气从而实现污水脱氮（图2）。
图1 养殖废水处理厂整体的污水处理工艺流程。
图2宏基因组和宏转录组分析构建的各反应池中微生物驱动的复杂的脱氮网络。
其中，厌氧氨氧化菌在缺氧池中的海绵载体上成功地实现了高度富集，形成了肉眼可见的红色菌球，厌氧-缺氧体系的级联为其生长和富集提供了更有利 的条件。15N同位素标记结果显示，此缺氧池中Anammox对于体系脱氮的贡献是反硝化过程的4.85倍，表明载体上高度富集的厌氧氨氧化菌具有较高的脱氮活性。基于进化树分析、基因组相似性分析和16S rRNA的相似性分析发现，两种不同类型的厌氧菌“Ca. Brocadia sp. PF01” 和 “Ca. Jettenia sp. PF02”在海绵载体上高度富集。最后，通过详细的基因组和转录组分析构建了两株厌氧氨氧化菌的核心代谢通路及转录活性，包括厌氧氨氧化过程、铁离子的摄取和储存、碳固定以及耐氧机制等（图3）。
图3 基于基因组和转录组分析构建的“Ca. Brocadia sp. PF01”和“Ca. Jettenia sp. PF02”的核心代途径及其转录丰度。
此研究结果以Delineation of the complex microbial nitrogen-transformation network in an anammox-driven full-scale wastewater treatment plant为题发表在生态环境领域主流期刊Water Research（IF:13.4）(全文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119799)。我院杨玉春助理教授和广东以色列理工学院顾继东教授为共同通讯作者，广东以色列理工学院胡鹏飞博士生为论文第一作者，我院硕士研究生刘锦叶参与了此项目。
【作者简介】
杨玉春，中山大学生态学院“百人计划”助理教授
网页: https://eco.sysu.edu.cn/teacher/204
邮箱：yangych55@mail.sysu.edu.cn
研究方向：
1.利用生物信息技术揭示特殊生态位中微生物的群落组成、微生物驱动的氮循环机制以及氮循环与其它元素循环的耦合机制。
2.利用微生物培养组学富集培养新型氨氧化菌，包括氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）、完全氨氧化菌（Comammox）和厌氧氨氧化菌（Anammox）,深入揭示其代谢和环境适应机制及生态效应。
3.利用合成微生物生态学研究新型氨氧化菌与相关微生物的耦合机制，揭示其生态功能并挖掘其在环境治理和生态修复方面的应用潜力。
通讯员：杨玉春
