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他山石01新蟲 (小有名氣)
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[交流]
單分子測(cè)序揭示飲用水濾池介質(zhì)微生物群落差異
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快速砂質(zhì)生物濾池（RSBF）在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于去除飲用水中的污染物，其中的生物膜微生物群在污染物的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，由于錳砂具有較高的吸附能力，已經(jīng)作為生物濾料廣泛應(yīng)用于中國(guó)的飲用水處理中，先前研究已分離得到一些錳氧化細(xì)菌，并推測(cè)RSBF中未培養(yǎng)的種群可能具有氧化Mn的能力，但這些微生物的工作過(guò)程尚未得到很好的表征。 二代測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大的提高了我們對(duì)微生態(tài)的理解，然而受讀長(zhǎng)短的限制，基于二代測(cè)序的多樣性研究獲取的信息有限且可能存在結(jié)果偏差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本中微生物組原貌的良好表征。隨著三代測(cè)序的誕生，16s rDNA全長(zhǎng)擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)能夠捕獲 16s rDNA全長(zhǎng)序列信息，從而實(shí)現(xiàn)在物種水平上進(jìn)行高分辨率和高靈敏度的分類學(xué)鑒定。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)： 1. RSBF反應(yīng)器設(shè)置及運(yùn)行 選擇顆粒尺寸為0.5-2cm的磁鐵砂和錳砂作為生物濾池介質(zhì)，構(gòu)建了兩個(gè)內(nèi)徑60cm，高130cm的柱式生物反應(yīng)器，為評(píng)估不同過(guò)濾深度下生物膜對(duì)反應(yīng)器中Mn（II）氧化的貢獻(xiàn)，在第40、80和120天，收集不同深度水體樣本測(cè)量Mn含量；為研究環(huán)境因素（過(guò)濾介質(zhì)，過(guò)濾器深度和操作時(shí)間）對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，在第40、80和120天，從反應(yīng)器上部（5 cm），中間（45 cm）和底部（85cm）收集濾砂樣本。 2. 全長(zhǎng)16s rRNA測(cè)序 以不同生物濾池濾砂上生物膜的基因組DNA為模板，選擇27F-1492R作為引物，使用Pacbio sequel平臺(tái)進(jìn)行16s rDNA全長(zhǎng)擴(kuò)增子測(cè)序。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 1. 不同生物濾料中的Mn（II）氧化情況 在最初的30天內(nèi)，錳砂RSBF中的Mn去除率高于磁鐵砂RSBF，在30-70天，磁鐵砂RSBF的Mn去除率增長(zhǎng)并超過(guò)錳砂RSBF的Mn去除率，兩種反應(yīng)器對(duì)Mn的去除率均在運(yùn)行80天后穩(wěn)定。錳砂RSBF處理的廢水中Mn濃度在開始時(shí)迅速降低，表明具有高效的物理吸附和化學(xué)氧化能力（圖1）。 磁鐵砂RSBF中Mn去除率隨生物濾池深度增加而線性增加，而錳砂RSBF中不同深度Mn去除率隨時(shí)間變化非常大，主要表現(xiàn)在濾池頂部25cm處去除率隨時(shí)間逐漸增加，表明上層提高生物濾池Mn去除率，對(duì)Mn氧化的貢獻(xiàn)最大。 2. 生物膜的微生物組成與群落多樣性 全長(zhǎng)擴(kuò)增子測(cè)序后，每個(gè)樣本均獲得了6058-11,350個(gè)高質(zhì)量有效序列。PCoA結(jié)果表明，磁鐵砂和錳砂的生物膜微生物群落存在差異，隨時(shí)間推移，兩種反應(yīng)體系中微生物群落差異逐漸減小。分層聚類分析結(jié)果表明，在第80d和120d，兩種反應(yīng)體系上層的微生物群落緊密聚集，而中層和底層的細(xì)菌群落更相似。 在門水平上，變形菌門占比最高（67.94%-91.79%），其次為放線菌門、酸桿菌門等。在第40d，磁鐵砂底層生物膜中，浮游菌相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于錳砂RSBF。在屬水平上，兩種反應(yīng)體系上層生物膜中均以α變形菌為主�；趦�(yōu)勢(shì)屬的層次聚類分析和熱圖結(jié)果反應(yīng)了來(lái)自RSBF不同樣本間的明顯聚類，表明不同介質(zhì)的RSBF微生物群落受時(shí)空動(dòng)力學(xué)影響（圖4）。 3. 細(xì)菌種類與非生物因子間的相關(guān)性 相關(guān)性分析表明，Hyphomicrobium zavarzinii、硝化氫細(xì)菌、 Noviherbaspirillum massiliense和Massilia timonae在錳砂RSBF中富集，而磁鐵砂RSBF促進(jìn)了Acidiferrobacter thiooxydans 和Sulfurifustis variabilis富集。另一方面，Pseudomonas citronellolis和Pseudomonas multiresinivorans與運(yùn)行時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，而Denitratisoma oestradiolicum和Hyphomicrobium zavarzinii 與運(yùn)行時(shí)間呈正相關(guān)。這一結(jié)果表明，運(yùn)行時(shí)間和生物過(guò)濾介質(zhì)作為主要選擇壓力影響了群落和微生物組的組成（圖5）。 4. RSBF中生物膜的物種共生網(wǎng)絡(luò) 基于OTU的網(wǎng)絡(luò)分析表明，生物濾池介質(zhì)在微生物群落中誘導(dǎo)了不同的共生模式。經(jīng)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的顯著差異（P<0.05）表明RSBF反應(yīng)體系中的細(xì)菌群落構(gòu)成是非隨機(jī)的。錳砂RSBF中的共生網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，并顯示了與推測(cè)的錳氧化次生微生物的復(fù)雜關(guān)聯(lián)（圖6）。 實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 研究報(bào)告了錳（II）氧化和快速砂生物過(guò)濾（RSBF）系統(tǒng)中具有兩種不同類型的飲用水處理濾料的生物膜核心微生物群的動(dòng)力學(xué)。發(fā)現(xiàn)以前被忽略的生物濾池介質(zhì)對(duì)Mn（II）氧化和生物膜微生物組具有重大影響。文章通過(guò)PacBio單分子測(cè)序鑒定了生物膜的優(yōu)勢(shì)菌群，與假定的錳氧化細(xì)菌（MnOB）相關(guān)，表明了Mn氧化可能是RSBF中多種途徑協(xié)同作用的，為提高RSBF效率提供了有價(jià)值的信息。 參考文獻(xiàn) Single molecule sequencing reveals response of manganese-oxidizing microbiome to different biofilter media in drinking water system. Water research. 2020 |
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