Exploring the microbial influence on seasonal nitrous oxide concentration in a full-scale wastewater treatment plant using metagenome assembled genomes

使用宏基因組組裝的基因組探索微生物對大型廢水處理廠中季節性一氧化二氮濃度的影響

來源：Water Research 219 (2022) 118563

 

摘要核心內容

 

本研究通過三年監測丹麥Avedore污水處理廠（WWTP），結合宏基因組組裝基因組（MAGs）分析，探究季節性N?O排放的微生物機制：

 

N?O排放規律：春季出現溶解態N?O濃度峰值（>0.138 g N/m3），秋季降至最低（圖2A）。

 

微生物關聯性：發現54種微生物與N?O濃度顯著相關（26種正相關，28種負相關），其中4種負相關菌的基因組具備N?O還原潛力（圖4）。

 

 

功能基因特征：

 

僅檢出1株完全反硝化菌（Candidatus Dechloromonas phosphorivorans）。

 

59個物種含nosZ基因（多為clade II型），主要來自擬桿菌門（Bacteroidota）（圖6）。

 

 

功能菌群影響：硝化細菌（NOB）和N?O還原菌豐度與N?O濃度呈顯著負相關（圖8）。

 

 

研究目的

 

解析季節性N?O排放驅動機制：明確微生物群落結構變化與N?O排放模式的關聯。

 

識別關鍵功能微生物：通過MAGs挖掘潛在N?O產生菌與還原菌的基因組特征。

 

評估工藝調控潛力：為降低WWTP溫室氣體排放提供微生物學依據。

 

研究思路

 

采用 “長期監測→群落分析→基因組驗證”策略：

 

數據采集：

連續三年監測溶解態N?O濃度（Unisense電極）、水質參數（COD/N比、硝酸鹽濃度）（圖2A）。

每周采集活性污泥樣本進行16S rRNA測序（共124個樣本）。

 

微生物分析：

 

基于MiDAS數據庫匹配MAGs（367個物種中124個獲高質量MAG）。

鑒定與N?O濃度顯著相關的物種（Pearson相關性分析，p<0.01）（圖4）。

 

功能基因注釋：

 

用KEGG/EnrichM預測氮轉化基因（amo, hao, nirK, nosZ等）（表1）。

 

構建關鍵基因（nosZ, nxrA）系統發育樹（圖6）。

 

關鍵數據及研究意義

1. N?O季節排放規律（圖2A）

數據：春季N?O濃度峰值（0.2 g N/m3），秋季降至0.05 g N/m3，與溫度/COD/N比無直接關聯。

意義：排除非生物因素主導，暗示微生物群落的季節性演替是關鍵驅動。

 

2. 微生物- N?O相關性（圖4）

 

數據：

正相關菌：如Terrimonas（含norBC/nosZ基因），豐度與N?O同步升高。

負相關菌：如Candidatus Amarolinea（含nosZ），豐度高時N?O濃度低。

意義：首次將Saprospiraceae（擬桿菌門）鑒定為潛在N?O還原菌，拓展N?O代謝微生物多樣性認知。

 

3. 功能菌群豐度動態（圖8）

 

數據：

 

N?O還原菌（含nosZ）累積豐度與N?O濃度顯著負相關（r=-0.48, p=5.6×10??）。

硝化細菌（NOB）豐度與N?O負相關（r=-0.37, p=0.0023）。

意義：揭示微生物功能群協作（非單一菌種）調控N?O排放。

 

4. N?O還原基因特征（圖6）

 

數據：

72個nosZ基因中69個為clade II型（非經典反硝化菌），75%源于擬桿菌門。

僅3個菌含clade I型nosZ（傳統反硝化菌）。

意義：挑戰“反硝化菌主導N?O還原”傳統認知，強調環境微生物（尤其擬桿菌）的減排潛力。

 

結論

 

季節性機制：N?O排放峰值由微生物群落結構變化驅動，非非生物參數主導。

 

關鍵微生物：

Ca. Amarolinea、Saprospiraceae等含clade II型nosZ的菌是潛在N?O還原主力。

Terrimonas等正相關菌可能促進N?O產生。

工程啟示：富集clade II型nosZ菌（如擬桿菌門）可優化WWTP減排策略。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理

 

Unisense N?O微電極：

 

原位監測溶解態N?O濃度，分辨率達0.1 μM，實時反映生物反應器內N?O動態。

 

直接插入活性污泥混合液，避免氣相擴散延遲，捕捉瞬態變化（如好氧/缺氧轉換期）。

 

核心發現（圖2A）

 

動態規律：

溶解態N?O濃度呈明顯季節性波動，春季達年度峰值（0.2 g N/m3）。

日內波動顯示N?O在低氧時段積累，支持“微生物代謝失衡致排放”假說。

 

空間關聯：

N?O濃度與曝氣池DO呈負相關（r=-0.64），印證低氧促進反硝化中間產物積累。

 

研究意義

 

機制解析：

揭示N?O液相生成動態，彌補氣相監測的滯后性（如GC-MS僅測累積排放）。

證實季節性排放與微生物活性同步變化，為群落功能研究提供時間維度證據。

 

工藝優化：

識別N?O爆發時段（春季低氧期），指導精準曝氣控制。

定量N?O還原潛力（如負相關菌豐度＞5%時N?O降低40%），支撐菌群調控策略。

 

模型校準：

提供高分辨率N?O生成速率數據（如0.05→0.2 g N/m3/月），優化排放預測模型。

 

總結：Unisense電極通過原位捕捉溶解態N?O的時空動態，將微生物群落演替與溫室氣體排放直接關聯，為解析復雜生物系統的N?O代謝網絡提供了不可替代的技術支撐。