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他山石01新虫 (小有名气)
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[交流]
单分子测序揭示饮用水滤池介质微生物群落差异
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快速砂质生物滤池（RSBF）在世界范围内被广泛应用于去除饮用水中的污染物，其中的生物膜微生物群在污染物的生物转化过程中起着至关重要的作用，由于锰砂具有较高的吸附能力，已经作为生物滤料广泛应用于中国的饮用水处理中，先前研究已分离得到一些锰氧化细菌，并推测RSBF中未培养的种群可能具有氧化Mn的能力，但这些微生物的工作过程尚未得到很好的表征。 二代测序技术的广泛应用极大的提高了我们对微生态的理解，然而受读长短的限制，基于二代测序的多样性研究获取的信息有限且可能存在结果偏差，无法实现对样本中微生物组原貌的良好表征。随着三代测序的诞生，16s rDNA全长扩增子测序技术能够捕获 16s rDNA全长序列信息，从而实现在物种水平上进行高分辨率和高灵敏度的分类学鉴定。 实验设计： 1. RSBF反应器设置及运行 选择颗粒尺寸为0.5-2cm的磁铁砂和锰砂作为生物滤池介质，构建了两个内径60cm，高130cm的柱式生物反应器，为评估不同过滤深度下生物膜对反应器中Mn（II）氧化的贡献，在第40、80和120天，收集不同深度水体样本测量Mn含量；为研究环境因素（过滤介质，过滤器深度和操作时间）对微生物群落结构的影响，在第40、80和120天，从反应器上部（5 cm），中间（45 cm）和底部（85cm）收集滤砂样本。 2. 全长16s rRNA测序 以不同生物滤池滤砂上生物膜的基因组DNA为模板，选择27F-1492R作为引物，使用Pacbio sequel平台进行16s rDNA全长扩增子测序。 实验结果： 1. 不同生物滤料中的Mn（II）氧化情况 在最初的30天内，锰砂RSBF中的Mn去除率高于磁铁砂RSBF，在30-70天，磁铁砂RSBF的Mn去除率增长并超过锰砂RSBF的Mn去除率，两种反应器对Mn的去除率均在运行80天后稳定。锰砂RSBF处理的废水中Mn浓度在开始时迅速降低，表明具有高效的物理吸附和化学氧化能力（图1）。 磁铁砂RSBF中Mn去除率随生物滤池深度增加而线性增加，而锰砂RSBF中不同深度Mn去除率随时间变化非常大，主要表现在滤池顶部25cm处去除率随时间逐渐增加，表明上层提高生物滤池Mn去除率，对Mn氧化的贡献最大。 2. 生物膜的微生物组成与群落多样性 全长扩增子测序后，每个样本均获得了6058-11,350个高质量有效序列。PCoA结果表明，磁铁砂和锰砂的生物膜微生物群落存在差异，随时间推移，两种反应体系中微生物群落差异逐渐减小。分层聚类分析结果表明，在第80d和120d，两种反应体系上层的微生物群落紧密聚集，而中层和底层的细菌群落更相似。 在门水平上，变形菌门占比最高（67.94%-91.79%），其次为放线菌门、酸杆菌门等。在第40d，磁铁砂底层生物膜中，浮游菌相对丰度远高于锰砂RSBF。在属水平上，两种反应体系上层生物膜中均以α变形菌为主。基于优势属的层次聚类分析和热图结果反应了来自RSBF不同样本间的明显聚类，表明不同介质的RSBF微生物群落受时空动力学影响（图4）。 3. 细菌种类与非生物因子间的相关性 相关性分析表明，Hyphomicrobium zavarzinii、硝化氢细菌、 Noviherbaspirillum massiliense和Massilia timonae在锰砂RSBF中富集，而磁铁砂RSBF促进了Acidiferrobacter thiooxydans 和Sulfurifustis variabilis富集。另一方面，Pseudomonas citronellolis和Pseudomonas multiresinivorans与运行时间呈负相关，而Denitratisoma oestradiolicum和Hyphomicrobium zavarzinii 与运行时间呈正相关。这一结果表明，运行时间和生物过滤介质作为主要选择压力影响了群落和微生物组的组成（图5）。 4. RSBF中生物膜的物种共生网络 基于OTU的网络分析表明，生物滤池介质在微生物群落中诱导了不同的共生模式。经验网络与随机网络的显著差异（P<0.05）表明RSBF反应体系中的细菌群落构成是非随机的。锰砂RSBF中的共生网络更复杂，并显示了与推测的锰氧化次生微生物的复杂关联（图6）。 实验结论： 研究报告了锰（II）氧化和快速砂生物过滤（RSBF）系统中具有两种不同类型的饮用水处理滤料的生物膜核心微生物群的动力学。发现以前被忽略的生物滤池介质对Mn（II）氧化和生物膜微生物组具有重大影响。文章通过PacBio单分子测序鉴定了生物膜的优势菌群，与假定的锰氧化细菌（MnOB）相关，表明了Mn氧化可能是RSBF中多种途径协同作用的，为提高RSBF效率提供了有价值的信息。 参考文献 Single molecule sequencing reveals response of manganese-oxidizing microbiome to different biofilter media in drinking water system. Water research. 2020 |
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