百乐克(BIOLAK)活性污泥宏基因组的生物多样性及功能分析

百乐克(BIOLAK)是一种在全球范围内得到成功推广的多级活性污泥工艺,然而,迄今对于百乐克工艺的核心元件——活性污泥的生物群落及其功能尚鲜见报道.以连云港市大浦工业区废水处理厂为例,借助于新一代高通量测序技术,获得百乐克活性污泥中大规模的宏基因组数据(428 588条高质量DNA序列).鉴定出47个门类、872个属及1 351个物种.细菌域(289 933条序列)中包含33个门,其中变形菌门Proteobacteria是生物量最丰富的门(62.54%),其次是拟杆菌门Bacteroidetes(11.29%)、硝化螺旋菌门Nitrospirae(5.65%)和浮霉菌门Planctomycetes(4.79%),显示这些生物类群在百乐克废水处理系统中发挥着关键作用.在748个细菌属中,硝化螺菌属Nitrospira(5.60%)最为丰富,为活性污泥氮循环过程中的关键菌群.其次为芽单胞菌属Gemmatimonas(2.45%),是生物除磷过程的重要菌属.在古菌域(1 019条序列)中鉴定出3个门及39个属.在真核域(1 055序列),鉴定出10个门及60个属,其中,纤毛虫门Ciliophora是最大的门(257条序列).同时,检测到448条病毒序列,主要为噬菌体.在百乐克活性污泥中,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因比例分别为2.50%、2.28%和1.56%,均高于美国和澳大利亚两个废水处理厂活性污泥中功能基因的比例.在氮代谢的4个过程中,反硝化相关基因所占比重最高,达到80.81%,其次是氨化(12.78%)、硝化(4.38%)和固氮(2.04%).总之,在百乐克活性污泥中蕴藏着惊人的生物多样性,同时,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因非常丰富.     

基于新一代测序技术的A2O与BIOLAK活性污泥宏基因组比较分析

本研究是A2O(anaerobic/anoxic/oxic,厌氧/缺氧/好氧)与百乐克(BIOLAK)活性污泥宏基因组比较分析的首份报告.在百乐克和A2O活性污泥宏基因组中,分别检测到47个和51个门类,超过了澳大利亚强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal,EBPR)、美国强化生物除磷和Bibby活性污泥中所检测到的生物类群.百乐克活性污泥中所发现的门类,均在A2O活性污泥中检测到.但是,有4个门类仅在A2O活性污泥中出现.Ignavibacteriae门在A2O活性污泥宏基因组中的比例(2.044 0%)是百乐克活性污泥(0.637 6%)的3.2倍.与此同时,芽单胞菌门在百乐克活性污泥宏基因组中的比例是2.467 3%,比其在A2O活性污泥中的比例(0.140 4%)高出17倍多;衣原体门在百乐克活性污泥宏基因组中的比例是0.219 2%,比其在A2O活性污泥中的比例(0.036 0%)高出6倍多.另外,在属的层级,有167个属仅在A2O活性污泥中检出;与此同时,有50个属仅发现于百乐克活性污泥中.因此,在门和属的层级,A2O与百乐克活性污泥的生物群落均存在巨大差异.然而,在百乐克和A2O两个活性污泥中,与氮、磷、硫和芳香族化合物代谢相关的功能基因比例均是非常接近的.此外,两个活性污泥中KEGG(Kyoto Encyclopedia for Genes and Genomes,京都基因与基因组百科全书)所有6个类别的排序均相同.同时,氮代谢相关的功能基因分类和通路分析表明,高丰度酶在百乐克和A2O宏基因组中具有相同的排序.因此,A2O和百乐克活性污泥宏基因组比较分析显示,两个不同的生物群落具有相似的功能分配.