高通量测序深入揭示厌氧氨氧化菌(Anammox)参与的污水脱氮体系中微生物的组成和活性

       我院杨玉春助理教授近日与广东以色列理工学院顾继东教授、深圳大学李猛教授等学者合作在国际经典期刊Journal of Cleaner Production发表题为“Deep insights into the green nitrogen removal by anammox in four full-scale WWTPs treating landfill leachate based on 16S rRNA gene and transcripts by 16S rRNA high-throughput sequencing”的研究论文（全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652620342219），杨玉春助理教授为第一作者。团队利用16S rDNA高通量测序技术深入分析了厌氧氨氧化菌(Anammox)参与脱氮的4个垃圾渗滤液污水处理厂中不同位点微生物的群落组成和丰度，开创性地利用基于16S rRNA的原位转录组高通量测序（图1），分析了4个曝气池活性污泥中微生物的转录活性，成功揭示了富含微生物的活性污泥中真正具有转录活性并有效参与污染物降解的微生物组成。

图1 本文的研究思路（左）、主要微生物的群落组成和活性鉴定（右上）、以及Anammox颗粒污泥的形态学观察（右下）

       垃圾填埋场产生的垃圾渗滤液污水因含有高浓度的氨氮极易造成水体的富营养化，严重破坏接受水体的生态平衡，因此需要对垃圾渗滤液做有效的脱氮处理。与物理和化学方法处理高氨氮垃圾渗滤液相比，利用基于微生物的污水脱氮体系可显著降低处理成本并减少对环境造成的二次污染，已被广泛应用。与传统的硝化-反硝化脱氮工艺相比，Anammox工艺因具有无需添加外源有机碳源、容积负荷高、运行费用低、温室气体(N₂O和CO₂)排放少等优点，在高氨氮的垃圾渗滤液处理方面更具应用前景。高通量测序技术的不断发展和完善使深入分析复杂污水处理体系中微生物的群落成为可能。但是，前期绝大部分研究只关注了污水处理体系中微生物的多样性和丰度，并没有深入区分哪些微生物真正具有活性，哪些微生物只是“匆匆过客”，而并不参与到污染物的降解。

       本研究利用基于16S rRNA的原位转录组高通量测序准确地分辨出复杂污水处理体系中具有转录活性的微生物组成，在曝气池所有被鉴定的微生物物种中，只有29.0%的微生物物种被检测到具有转录活性，它们在体系中的相对丰度却高达74.2%。活性污泥中参与脱氮的主要微生物，包括Anammox、硝化菌、反硝化菌，都具有很高的转录活性；某些异养菌具有很高的丰度，甚至有些是体系中主导的微生物，但是它们在污水处理过程中并没有转录活性（图2），说明他们没有真正参与到污染物的降解。结合前人的研究报道和本研究结果，本研究推测污水流动伴随着大量微生物的迁移，造成无活性微生物在活性污泥中的大量物理富集，从而显著影响污水处理体系生物反应池中微生物的群落组成。本研究结果说明了在研究像污水处理厂这种开放体系中微生物的群落组成时，非常有必要通过例如16S rRNA的原位转录组测序等方法进一步鉴定微生物的活性。

图2 四个曝气池的活性污泥中主要微生物的相对丰度（横坐标）和活性（纵坐标）