中科院城市环境所WR|中试CANON 工艺中宏转录组学提供一种厌氧氨氧化菌对溶解氧抗性与解毒作用的深入观点

政务   2024-12-26 08:46   湖北  

自:污水处理研究与应用

第一作者:Huaihao Xu

通讯作者:Xiaojun Wang

通讯单位:Chinese Academy of Sciences


亮点

·在中试规模的 CANON 中,厌氧氨氧化菌通常分布在生物膜的外层。

·尽管 DO 高达 2 mg/L,但 Anammox 仍具有耐氧性。

·提出了专门针对Ca. Kuenenia的氧解毒途径。

·通过减少 ROS 的产生和增强 ROS 的去除来实现耐氧性。

·一些新基因 (cpo、dfx、wrbA)显示Ca. Kuenenia 对DO的独特响应。


摘要

在亚硝酸盐型完全自养脱氮 (CANON) 工艺中,厌氧氨氧化菌和氨氧化细菌之间矛盾的氧需求,通常会导致厌氧氨氧化活性的降低。然而,本研究实现了稳定的脱氮性能,在 20 m3  CANON 反应器长期强曝气下最大处理效果为 1096 g-N/m3/d 。厌氧氨氧化菌通常分布在生物膜的外层,并表现出显著的耐氧性(Fig.4)。在 2.0 mg/L 溶解氧下,它们的活性仅下降了 18.5%(Fig.3)。当厌氧氨氧化菌遇到氧气时会采取一些适应策略。宏转录组学显示,系统中占主导地位的厌氧氨氧化菌种 Candidatus Kuenenia ,将参与碳代谢和氧化磷酸化的基因表达下调(Fig.5)。这可以减少与 O2 结合的电子损失,从而最大限度地减少活性氧 (ROS) 的产生。相比之下,增加细胞外蛋白的分泌和 O2·−的转化,能够迅速消除 ROS。这种行为赋予了 Ca. Kuenenia 独特的氧解毒途径:O2·−最初转换为 H2O2通过超氧化物歧化酶 SOD2 和超氧化物还原酶 dfx(主要作用),接着通过非血红素氯过氧化物酶 cpo(一种新公认的厌氧氨氧化酶氧解毒机制)和过氧化氢酶 katE还原成H2O(Fig.7)。这些结果扩展了目前对厌氧氨氧化酶缓解氧化应激的知识。


引言

基于厌氧氨氧化 (anammox) 的亚硝酸盐型完全自养脱氮 (CANON) 工艺具有节能、低成本和环境友好等优点,该工艺成为研究重点。用于生物脱氮的 CANON 过程包括短程硝化和厌氧氨氧化阶段,两者都发生在同一个反应器中。由于短程硝化和厌氧氨氧化的需氧量存在内在矛盾,溶解氧 (DO) 成为影响其运行的关键参数。厌氧氨氧化菌和 AOB 可以形成生物聚集体(生物膜或颗粒污泥)。AOB 占据生物聚集体的外层并消耗氧气,能创造低氧环境并为内部的厌氧氨氧化细菌提供亚硝酸盐底物。厌氧氨氧化菌具有耐氧和解毒能力。当氧气侵入厌氧细胞时,可能会发生解毒过程,其中由氧电子增加而产生的超氧自由基依次还原为 H2O2和 H2O (分别由超氧化物酶和过氧化物酶引发)。不同厌氧氨氧化菌的氧解毒机制可能有所不同。然而,在 CANON 过程中很少研究 DO 应激下厌氧氨氧化菌的生理代谢,尤其是在中试规模中。这项研究中,在长期 DO 条件下运行的中试规模 CANON 反应器内,厌氧氨氧化菌具有不同水平的DO抗性。基于宏基因组学和宏转录组学,研究了厌氧氨氧化菌的种群结构和代谢特征。本研究明确了许多在 anammox 中的新基因表达过程,并揭示了 CANON 过程中厌氧氨氧化菌对环境因子(尤其是 DO)的独特响应机制。本研究扩展了对 CANON 过程中厌氧氨氧化菌氧解毒能力的基础认识。

Fig. 3. SAAs at different DO exposure levels. The attached plot is the linear regression of SAA to dissolved oxy

Fig. 4. Microbial community structures of suspended sludge (susp), sponge cubes (spon), and Pall rings (pall): Distribution at the level of phylum (A), genera (B), and relative abundances of Ca. Kuenenia and Nitrosomonas (C).

Fig. 5. Differential metabolic pathways of Ca. Kuenenia: (A) carbon metabolism; (B) biosynthesis of cofactors; (C) Glycerophospholipid metabolism and bacterial secretion. The following number "1″ identifies the pathway map, and "2″ identifies the heat map of the fold changes. Up- and down-regulated DEGs are marked in red and blue, respectively. The dotted line indicates that the gene was not detected. Asterisks on the heat map indicate significant differences, *: |log2FC| > 1 and p-adj 〈0.05, **: |log2FC| 〉 1 and p-adj < 0.01.

Fig. 7. The proposed hypothesis of the oxygen detoxification pathway and the expression levels of corresponding genes in each sample. To highlight the particularity of oxygen detoxification in Ca. Kuenenia, the dfx and cpo processes are shown in bold and gold, respectively.

注:本文内容参考自Xiaojun Wang(通讯作者)课题组论文《Metatranscriptomics provides an in-depth perspective on the resistance and detoxification of anammox bacteria to dissolved oxygen in a pilot CANON process》,特此致谢。本文内容仅代表公众号作者观点,版权归原作者所有。如有侵权,请及时联系我们进行处理!

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