PD-Anammox快速启动过程中氮代谢功能基因的表达特征

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0885

摘要/Abstract

摘要：

为探究PD-Anammox耦合工艺快速启动过程中基质波动对微生物菌群结构及氮代谢功能基因的响应机制，通过改变进水的基质比例，联合宏基因组学和宏转录组学分析技术，深度解析耦合工艺的脱氮效能、微生物群落结构及氮代谢功能基因的变化规律。结果表明，PD-Anammox工艺的总氮去除率在进水氮源基质改变初期大幅下降，长期运行后其贡献率高达97.1%。变形菌门的相对丰度与进水中硝酸盐氮的含量呈正相关，而浮霉菌门的相对丰度与碳源浓度呈负相关。氮源瞬时冲击时，厌氧氨氧化功能基因hdh/hzo和hzsA/B/C、硝酸盐还原基因napA/B/C和narB/C、亚硝酸盐还原基因nirS等表达量均显著下降，1 d后厌氧氨氧化和反硝化功能基因表达量显著回升。长期运行后，PD-Anammox耦合系统恢复脱氮效能，与冲击前的系统相比，hdh/hzo和hzsA/B/C基因表达量降低，而nosZ基因表达量升高。

关键词: 短程反硝化-厌氧氨氧化, 基质波动, 快速启动, 氮代谢功能基因, 微生物

Abstract:

In order to investigate response mechanism of substrate fluctuations on microbial community structure and nitrogen metabolism functional genes during the rapid start-up process of partial denitrification and anammox coupling system（PD-Anammox）， the nitrogen removal efficiency， microbial community structure and nitrogen metabolism functional genes of the coupled process were analyzed by changing the nitrogen substrate ratio and combining metagenomic and metatranscriptomic techniques. The results showed that the total nitrogen removal rate of PD-Anammox process decreased significantly at the initial stage of the influent nitrogen source change， but its contribution was as high as 97.1% after long-term operation. There was a positive correlation between relative abundance of Proteobacteria and content of nitrate nitrogen in influent，while relative abundance of Planctomycetes was negatively correlated with the concentration of carbon source. The functional genes of anaerobic ammonia oxidation（hdh/hzo and hzsA/B/C），nitrate reduction genes（napA/B/C and narB/C），nitrite reduction genes（nirS） were significantly down-expressed after instantaneous nitrogen source shock. The expression levels of functional genes in anammox and denitrification increased significantly after the first day. After long-term operation，the PD-Anammox system recovered its nitrogen removal efficiency. Compared with the coupled system before nitrogen source shock，the expression levels of hdh/hzo and hzsA/B/C decreased，while the expression levels of nosZ increased.

Key words: partial denitrification and anammox, substrate fluctuations, rapid start-up process, nitrogen metabolic genes, microorganism

中图分类号:

X703
Q786

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I4/57

图/表 11

图1 EGSB耦合反应器

Fig. 1 EGSB coupled reactor

表1 PD-Anammox耦合工艺启动过程中进水水质及污泥采样信息

Table 1 Influent quality and sludge sampling information during the start-up of PD-Anammox coupled system

启动

阶段

NH₄ ⁺-N/

（mg·L^-1）

NO₂ ^--N/

（mg·L^-1）

NO₃ ^--N/

（mg·L^-1）

COD/

（mg·L^-1）

进水2 h（S1）

进水1 d后（S2）

进水3 d后（S3）

运行末期（S4）

图2 DNA数据处理流程

Fig. 2 Flow of DNA data processing

图3 RNA原始数据处理流程

Fig. 3 Flow of raw RNA data processing

图4 耦合反应器出水氮素及其去除率变化

Fig. 4 Variations of effluent nitrogen and their removal rates in the coupled system

图5 瞬时冲击下耦合反应器门水平微生物的群落结构变化

Fig. 5 Variations of microbial community structure（phylum level） in coupled system under transient impact

图6 瞬时冲击下耦合反应器微生物群落结构LEfSe分析

Fig. 6 LEfSe analysis of microbial community structure in coupled system under transient impact

图7 瞬时冲击下耦合反应器微生物群落结构LDA分析

Fig. 7 LDA analysis of microbial community structure in coupled system under transient impact

图8 瞬时冲击下耦合反应器脱氮功能菌群的变化情况

Fig. 8 Variations of nitrogen removal functional bacteria in coupled system under transient impact

图9 瞬时冲击下耦合反应器氮代谢功能基因的表达量（TPM）

Fig. 9 Expression of nitrogen metabolic genes in coupled system under transient impact

图10 瞬时冲击下氮代谢通路

Fig. 10 Nitrogen metabolic pathways under transient shock

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