中國科學院生態環境科學研究中心文章在《Water Research》發表，該研究利用GeoChip晶片，探究了焦化廢水中高濃度的含氮和含硫汙染物的生物轉化過程。快來跟小編一起來學習這篇佳作吧！
焦化廢水處理中含氮和硫含量汙染物的生物轉化
Biotransformation of nitrogen- and sulfur-containing pollutants during coking wastewater treatment: Correspondence of performance to microbial community functional structure
作者：Dev Raj Joshi, Yu Zhang, et al.
期刊：Water Research
時間：2017.5
IF: 7.051
一、研究背景
焦化廢水中含有多種汙染物，包括酚類、多環芳香族碳氫化合物、含氮化合物、含硫化合物、含氧雜環類化合物等，這些化合物通常對環境具有毒性和對人體產生致癌作用。隨著環保意識的加強以及廢水處理標準的提高，關於廢水處理領域的研究逐漸成為熱門。
很早人們就開始利用生物方式處理焦化廢水，微生物能降解廢水中的酚類、硫氰酸酯、氰類化合物、多環芳香族碳氫化合物等有害物質，例如Thiobacillus、Comamonas、Pseudomonas、Thaurea、Burkholderia和Trichosporon。然而，微生物降解廢水中有害物質的效果具有不穩定性，廢水中一些物質如酚類、氰化物的含量影響著處理的效果。另一方面，生物處理焦化廢水，會產生大量含氮及含硫物質。目前，對於參與焦化廢水中含氮及含硫化合物生物轉化過程的微生物的研究還有待深入，此外，環境因素，特別是環境中的pH值，可能對生物轉化過程有重要影響。
本研究利用反應器無氧化處理焦化廢水，在去氮及去硫過程中按不同時間取樣，基於16s rRNA擴增子測序和GeoChip 5.0晶片進行檢測、分析。
二、實驗設計
1. 焦化廢水處理及沉澱物樣品收集
共收集9個時間點的樣品，測定樣品中的COD、TOC、酚類總含量、總含氮量、氨性氮含量（NH4+-N）、硫含量等性質。
2. GeoChip 5.0檢測與分析
每個樣品設置3個重複，提取DNA，預處理後的DNA樣品以67℃在GeoChip 5.0晶片上雜交24h，之後掃描獲得信號數據。對數據進行標準化後分析。
3. 16s rRNA擴增子測序分析
對DNA樣品，擴增16s rRNA基因的V4區域（515F、806R），Illumina MiSeq測序。
4. Network分析
基於相關性矩陣的network分析研究微生物群落及汙染物降解基因之間的聯繫。
三、實驗結果
1. 生物反應器性能
當pH值在7.1~7.6範圍內時，體系相對穩定；氨氮（dNH4+-N/COD, 0.01~0.06) 和硫酸鹽(dSO42-/COD, 0.25~0.93)的釋放對COD的影響表現為隨著pH和游離氨（NH3）的增加而下降的特徵。（Fig. 1）
2. 微生物群落物種組成分析
每個樣品16s rRNA測序得到10582~19610條序列的信息，共得到298個細菌OTU；涵蓋16個門的微生物，包括Proteobacteria（58.95%~87.75%）、Bacteroidetes（3.87~23.88%）、Actinobacteria（0.98~3.70%）；在屬水平，Thiobacillus佔比最大（24.8~53.1%），無法注釋到屬的物種多數為Burkholderiales科。Alpha多樣性分析中，樣品的shannon-weiner係數在2.74~3.42。
3.微生物群落功能組成分析
9個樣品中GeoChip共檢測到67395個功能基因，屬於1047個類別，其中碳循環的基因佔15.8%，氮循環的基因佔4.3%，硫循環的基因佔2.8%，有機汙染物去除的基因佔8.8%等；共檢出與有機汙染物降解相關的來自99個基因家族共5867個功能基因，有關芳香烴化合物降解的基因佔1.1%，氯化物降解基因佔1.1%，其他碳氫化合物降解基因佔0.43%。芳香烴化合物降解的基因有：catechol（0.58%）、one_ring_12diox（0.22%）、mult_ring_12DiOx（0.19%）；致癌化合物降解基因有：phn（0.41%）；含氯芳香烴化合物降解基因有：tfdA（0.36%）；羧基芳香烴化合物降解基因有：nagG（0.36%）；BTEX化合物降解基因有：catB（0.2%）；含氮芳香烴化合物降解基因：nitroreductase（0.45%）、nhh和nsfA（0.25%）；烷烴單加氧酶：alkB（0.32%）。（Fig. 2）
Fig.2 多種有機汙染物降解基因的相對豐度
Mantel分析（Table 1）顯示，環境的pH值與樣品的微生物群落結構（r=0.31，P=0.038）及有機汙染物降解（r=0.319，P=0.038）顯著相關，然而功能基因與廢水的性質無明顯相關性（P>0.05），與dNH4+–N/COD 及dSO42-/COD有較高的相關性（r=0.489，P=0.002）。
同時，研究每個因子與有機汙染物降解相關的基因家族的關係，發現每個家族與dNH4+–N/COD 及dSO42-/COD有較高的相關性（Table 2）。
Table1. 功能基因與環境因子之間的相關性
Table 2. Mantel檢驗有機汙染物降解的基因家族與dNH4+–N/COD 及dSO42-/COD的相關性
4. 有機汙染物降解相關微生物類群的分類及Network分析
有機汙染物降解基因的物種歸屬分析顯示，大多數芳族汙染物包括硝基芳族化合物、芳族羧酸、甲苯和殺蟲劑相關化合物主要可能是由Burkholderiales, Actinomycetales, Rhizobiales, Pseudomonadales降解（Fig. 3）。結合16s rRNA基因OTU和 GeoChip 5.0的功能基因數據，基於network網絡分析展示了以Proteobacteria、Actiobacteria與芳香族汙染物降解基因為主的共現性關係（Fig. 4）。
Fig 4. 微生物群落與有機汙染物降解基因網絡圖分析
5. 廢水處理中理化因子對於微生物群落形成的貢獻度
用VPA估算了COD、NH4+-N和pH值對有機汙染物降解功能基因和微生物群落結構組成的貢獻度，可解釋的變異度分別為43.9%和56.9%（Fig 5.）。
Fig 5.微生物多樣性和COD(C)、NH4+-N(N)和pH(P)的VPA分析：
(a)概述；(b)GeoChip 5.0檢測的所有有機汙染物降解基因；(c)測序數據獲得的細菌OTUs
四、結論與亮點
焦化廢水含有大量的無機和有機汙染物，會對環境及人類健康產生危害。探索如何對焦化廢水中的含氮及含硫汙染物進行生物降解，在無害化處理廢水的研究中有重大意義。
本研究發現：
pH>8.0時，含氮及含硫汙染物的生物轉化降解效率開始降低；
pH和NH4+-N含量對於微生物群落及功能組成多樣性有較大貢獻度；
含氮及含硫汙染物生物轉化與功能基因的豐度相關；
Bulkholderia, Actinomycetes, Pseudomonas and Thiobacillus 是發揮功能的關鍵物種；
豐度最高的有機汙染物降解基因是芳香烴雙加氧酶（aromatic dioxygenases）。
後續研究將利用宏轉錄組及代謝組技術，深入了解汙染物降解的過程，以找出更好的焦化廢水處理方法。
您可能還喜歡：新品｜美格基因重磅推出宏基因組（病原微生物研究）測序產品服務
金秋九月，美格基因高分項目文章再次喜獲佳訊！