Mechanism of microbial metabolic responses and ecological system conversion under different nitrogen conditions in sewers  

不同氮條件下下水道微生物代謝響應(yīng)及生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化機(jī)制  

來源：Water Research, volume 186, article number 116312, 2020  

《水研究》第186卷，文章編號(hào)116312，2020年  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過1200米中試下水道系統(tǒng)，探究有機(jī)/無機(jī)氮比例（7:3的A組 vs 3:7的B組）對(duì)碳、氮、硫生物轉(zhuǎn)化的影響。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

1. 氨基酸分布差異：A組以甲硫氨酸（32.67%）和蘇氨酸（29.86%）為主，B組以甲硫氨酸（66.24%）和天冬氨酸（8.98%）為主（圖1c-d）。  

 

2. 微生物群落響應(yīng)：  

   ? A組富集碳循環(huán)菌群（產(chǎn)氫乙酸菌HPA和產(chǎn)甲烷古菌MA），基因拷貝數(shù)更高（圖3a-c）；  

 

   ? B組富集硫循環(huán)菌群（硫酸鹽還原菌SRB）和氮循環(huán)菌群（反硝化菌DNB和氨氧化菌AOB）（圖3d-f）。  

 

3. 代謝通路調(diào)控：  

   ? A組有機(jī)氮促進(jìn)甘氨酸和天冬氨酸生成，強(qiáng)化甲烷代謝（碳轉(zhuǎn)化）（圖5a）；  

 

   ? B組無機(jī)氮促進(jìn)甲硫氨酸和半胱氨酸生成，激活硫循環(huán)（圖5c）。  

 

4. 生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化：  

   ? 脯氨酸、甘氨酸和酪氨酸（A組）增強(qiáng)細(xì)胞膜運(yùn)輸和蛋白質(zhì)合成，支持碳循環(huán)菌群（圖6）；  

 

   ? 丙氨酸和甲硫氨酸（B組）驅(qū)動(dòng)氮硫轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致更高硫化氫生成風(fēng)險(xiǎn)（圖6）。  

 

研究目的

 

1. 揭示不同氮源比例（有機(jī)氮 vs 無機(jī)氮）對(duì)下水道微生物代謝路徑的影響機(jī)制。  

2. 闡明氮污染物如何通過氨基酸分布調(diào)控碳、氮、硫的生物轉(zhuǎn)化過程。  

3. 構(gòu)建下水道生態(tài)系統(tǒng)模型，為預(yù)測(cè)硫化氫/甲烷生成及管道腐蝕提供理論依據(jù)。  

 

研究思路

 

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

   ? 建立1200米中試下水道系統(tǒng)，模擬真實(shí)水力條件（坡度5‰、流速0.6 m/s、黑暗環(huán)境）。  

 

   ? 設(shè)置兩組氮比例：A組（有機(jī)氮:無機(jī)氮=7:3）模擬生活污水，B組（3:7）模擬工業(yè)廢水。  

 

2. 參數(shù)監(jiān)測(cè)：  

   ? 環(huán)境因子：Unisense微電極（丹麥）測(cè)量生物膜厚度、DO、ORP（圖1a）。  

 

   ? 氨基酸分析：HPLC檢測(cè)16種氨基酸分布（圖1c-d）。  

 

   ? 微生物群落：qPCR定量功能菌群（TB/HPA/MA/SRB等）（圖3），16S rRNA測(cè)序分析群落結(jié)構(gòu)（圖2）。  

 

   ? 代謝通路：宏基因組分析KEGG通路（圖4-5）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 生物膜厚度（圖1a）：  

   ? 數(shù)據(jù)：A組生物膜厚度顯著高于B組（150天穩(wěn)定期）。  

 

   ? 意義：有機(jī)氮促進(jìn)微生物增殖，增加生物膜積累，可能加劇管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)。  

 

2. 氨基酸分布（圖1c-d）：  

   ? 數(shù)據(jù)：A組特有脯氨酸、甘氨酸、酪氨酸；B組丙氨酸豐度更高，甲硫氨酸占比達(dá)66.24%。  

 

   ? 意義：氮比例直接決定關(guān)鍵氨基酸組成，驅(qū)動(dòng)下游代謝路徑分化。  

 

3. 功能菌群豐度（圖3）：  

   ? 數(shù)據(jù)：A組HPA和MA基因拷貝數(shù)峰值（2.84×1013 copies/mL）顯著高于B組（6.24×1012 copies/mL）；B組SRB豐度（6.31×10? copies/mL）高于A組（4.88×10? copies/mL）。  

 

   ? 意義：有機(jī)氮富集碳循環(huán)菌群（甲烷生成），無機(jī)氮富集硫循環(huán)菌群（硫化氫生成）。  

 

4. 代謝通路基因（圖5）：  

   ? 數(shù)據(jù)：A組甲烷代謝基因（如1.2.7.4）表達(dá)更高；B組硫還原基因（如1.8.99.2）和反硝化基因（1.7.2.1）富集。  

 

   ? 意義：從基因?qū)用孀C實(shí)氮比例通過氨基酸調(diào)控碳/硫代謝平衡。  

 

結(jié)論

 

1. 氮比例決定代謝方向：高有機(jī)氮（A組）促進(jìn)甲烷生成，高無機(jī)氮（B組）促進(jìn)硫化氫生成。  

2. 氨基酸是關(guān)鍵媒介：甘氨酸（A組）驅(qū)動(dòng)碳循環(huán)，甲硫氨酸（B組）驅(qū)動(dòng)硫循環(huán)，直接關(guān)聯(lián)溫室氣體和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。  

3. 微生物群落響應(yīng)：碳循環(huán)菌群（如HPA）與有機(jī)氮正相關(guān)，硫循環(huán)菌群（如SRB）與無機(jī)氮正相關(guān)。  

4. 工程啟示：監(jiān)測(cè)污水氮比例可預(yù)測(cè)下水道硫化氫/甲烷風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)針對(duì)性干預(yù)措施。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

Unisense微電極（型號(hào)未注明，tip直徑10μm）用于高分辨率測(cè)量生物膜參數(shù)：  

1. 揭示生物膜空間異質(zhì)性：  

   ? 電極數(shù)據(jù)直接顯示A組生物膜更厚（圖1a），印證有機(jī)氮促進(jìn)微生物附著增殖，為生物膜結(jié)構(gòu)差異提供原位證據(jù)。  

 

2. 解析氧微環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制：  

   ? DO/ORP剖面顯示A組氧滲透更深，支持好氧菌主導(dǎo)碳循環(huán)；B組淺層厭氧區(qū)擴(kuò)大，促進(jìn)SRB活動(dòng)。  

 

   ? 結(jié)合qPCR數(shù)據(jù)（圖3），證明氧梯度與SRB/MA空間分布耦合：A組深層厭氧區(qū)富集MA（產(chǎn)甲烷），B組淺層厭氧區(qū)富集SRB（產(chǎn)硫化氫）。  

 

3. 關(guān)聯(lián)代謝活性：  

   ? 電極測(cè)得的ORP變化與宏基因組通路（圖5）一致：B組低ORP環(huán)境激活硫還原基因（如1.8.99.2），直接關(guān)聯(lián)硫化氫生成。  

 

科學(xué)價(jià)值：Unisense電極以微米級(jí)分辨率捕捉生物膜物理化學(xué)梯度，將宏觀污染物轉(zhuǎn)化（如甲烷/硫化氫生成）與微觀微生物生態(tài)位（好氧/厭氧區(qū)）空間關(guān)聯(lián)，為下水道生態(tài)系統(tǒng)模型提供關(guān)鍵界面過程參數(shù)。