郝凯越,李远威,宗永臣,尤俊豪,郭明哲

高原生境下A2O工艺对污水处理的微生物机制

郝凯越,李远威,宗永臣*,尤俊豪,郭明哲

(西藏农牧学院水利土木工程学院,西藏 林芝 860000)

基于 Illumina MiSeq 高通量测序技术,以高原生境下A2O工艺的活性污泥为研究对象,探讨不同温度下微生物群落结构、丰度及相关性.结合污染物分解、吸附及转化等代谢过程中的主要功能蛋白、功能基因、酶的种类及丰度在碳、氮、磷等污染物代谢途径中的作用,从生物化学和分子水平的角度分析了高原地区A2O工艺对污水处理的微生物学机制.结果表明:优势细菌门为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、厚壁菌门及绿弯菌门,优势细菌属为AKYH767、腐败螺旋菌、、伯克氏菌、IMCC26207、. 污染物去除和微生物群落发挥作用的效果在15℃为最优,微生物群落的COG、代谢途径、基因和酶活性最适宜的温度为20℃.主要功能蛋白为一般功能预测、氨基酸运输与代谢和基因转录;主要代谢途径为:ABC转运蛋白,细菌双组分调节系统,嘌呤、核糖体及嘧啶等代谢,主要功能基因的产物(酶)为:烯酰辅酶A水合酶、乙酰辅酶A C-乙酰转移酶、醛脱氢酶(NAD+)、硫代硫酸盐及外多磷酸酶.

微生物机制；A2O工艺；高原生境；Illumina MiSeq测序；功能基因

西藏自治区平均海拔4000余米,水资源丰富[1].随着自治区内人口的急剧增长,污水排放量也日益增加,水环境遭受着一定程度的污染[2],这对污水处理厂的处理能力有了更高的要求.区内的污水处理厂主要依靠活性污泥中微生物代谢进行脱氮除磷及去除有机污染物[3-4].但由于强紫外线、低温及低溶解氧的特殊高原生境,导致活性污泥难以生存,污染物的去除效果不佳[5].且研究区域的微生物群落结构和功能也会相对较独特,跟其他区域的活性污泥样本之间细菌群落结构的组成有显著性差异[6].

A2O系统为厌氧-缺氧-好氧工艺,主要通过活性污泥中微生物的代谢活动去除污水中的污染物[7].温度是影响污染物去除效果的主要因素之一[5,8],且海拔的不同,也会导致污染物去除效果的改变[9].故海拔和温度的改变,将影响着微生物群落的结构和功能,同时也影响碳、氮、磷等主要污染物的代谢关系以及相对应的功能蛋白、酶、基因的丰度.

为阐述西藏高原地区A2O工艺中活性污泥微生物群落结构、丰度、相互关系和微生物学机制,本研究采用Illumina MiSeq 高通量测序技术,分析不同温度下微生物群落细菌的共现性、相关性、联通性及参与碳、氮、磷污染物的主要代谢途径、功能基因和酶的种类及丰度,为研究该地区A2O工艺对污水处理的微生物群落结构和微生物机制提供参考.

1 材料与方法

试验用水为西藏农牧学院化粪池中的污水,采用连续性进水,A2O工艺的厌氧池:缺氧池:好氧池的体积比为1:1:2.5,具体流程图见前期相关研究[5].控制溶解氧(DO)为2.5～3.5mg/L,水力停留时间(HRT)为21h, pH值为7.5左右,污泥回流比为20%～50%,硝化液回流比为200%,MLSS为917.6～1308.7mg/L.使用温度控制仪控制水温为25, 20, 15, 10℃共4个温度工况,当达到目标温度时,温控仪自动断电,不再加热.每个工况持续运行10d,取厌氧池、缺氧池及好氧池中的活性污泥样品15mL进行Illumina MiSeq测序.水质指标均采用国标测试方法,其中COD为重铬酸钾法,TN为过硫酸钾-紫外分光光度法,总磷为分光光度法.

通过16SrRNA功能预测软件(PICRUSt)对微生物分类单元(OTU)丰度表进行标准化;确定每个OTU的数据库信息(greengene id),获得基因数据库KEGG Orthology (KO)信息和功能蛋白(COG)家族信息;计算出各COG和KO的丰度;根据COG数据库的信息,从功能注释(eggNOG)数据库中解析到各COG的描述和功能信息,计算出功能丰度;根据KEGG数据库的信息,获得KO、代谢通路(Pathway)及酶(EC)信息,并计算各功能类别的丰度;运用功能基因和代谢通路数据库中各种代谢通路、膜转运、细胞周期及信号传递等相关通路,获取参与碳、氮及磷相关代谢途径的基因和酶种类及丰度[10].

2 结果与分析

2.1 进出水水质及去除率

在10, 15, 20, 25℃4个工况下,分别对A2O工艺的进出水COD、TN及TP的浓度进行测定,水质及其去除率如表1所示.

根据表1可知:出水的COD在10, 15及20℃时达到了城镇污水处理厂污染物排放标准[11]的1级A排放标准,25℃时仅达到了2级排放标准,在15℃时去除率最佳为95.74%.TN仅在15℃时达到了1级A排放标准,且去除率最佳为88.86%,在20℃时达到了1级B排放标准,在其他温度下处理效果不佳.TP同样在15℃时达到了1级A排放标准,且去除率最佳为98.15%,在其他温度下处理效果不佳,20℃和25℃时处理较好,达到了1级B排放标准总结可知,温度为15℃时,COD、TN及TP3种污染物的去除率和去除效果均达到最佳,因此建议在高原地区下的A2O工艺运行温度设定为15℃.

表1 不同温度下进出水水质及去除率

各污染物在不同温度下的进水浓度差异较大,这可能由于在化粪池取污水的时间段不同,人们方便的频次不同所导致.当COD浓度过高时,活性污泥沉降比升高,氨氮去除率降低,脱氮效率也将随之降低[12].COD、TN及TP浓度过高,将大量消耗水体中的DO,A2O工艺脱氮除磷过程中所需的DO不足,导致污染物的处理效果不佳[13].当COD浓度较低时,A2O工艺活性污泥中可用来生长繁殖的物质较少,微生物的活性受到抑制,导致COD的去除效果较差[14].当COD浓度较低或COD/TN较低时,A2O工艺脱氮除磷过程中所需的碳源不足,将导致脱氮除磷的处理效果不佳[15].而10, 20, 25℃的TN和TP浓度过高,20℃的COD浓度较低,25℃的COD浓度过高,最终导致处理效果不佳,均低于15℃处理效果.

2.2 活性污泥微生物功能种群组成及其功能

2.2.1 微生物种群组成分析 为分析高原生境下A2O工艺的厌氧池、缺氧池及好氧池在4个温度下12个样品中32种细菌门和781种细菌属的共存关系,运用Networks软件绘制门水平下和属水平下的微生物种群共现性网络图,分别如图1和图2所示,所对应网络节点门(属)水平的物种节点如表2和表3所示,样本节点如表4所示.

图1 门水平下微生物种群共现性网络图

共现性网络图可视化展示丰度(序列数)大于50的种在不同样本中的共现关系,大圆与小圆的连线表示不同温度下所含细菌门(属),共现性网络图呈现了不同样品与细菌门(属)之间的共现关系,图2同

表2 门水平下物种节点表

由于分析软件的原因,暂无法对每个点开展具体细菌门和样本信息的注释,故将12个样品中32种微生物细菌门加权度前5和后5的细菌门在表2中进行表示,样本节点在表4中进行表示.表2表示12个样品中32种微生物细菌门根据加权度排序在前5和后5的细菌门及对应的度和加权度,加权度排序越靠前的细菌门,其位置越处于网络图的中心.这表明在所有的细菌门中,它们的共现性最高,鲁棒性最好.相反,加权度排序越靠后的细菌门,其位置越处于网络图的边缘.这表明在所有的细菌门中,它们仅在极少的样品中出现,共现性最低,鲁棒性最差.

由于图片版面原因,无法对每个点具体表示哪种细菌属和哪种样本进行注释,故将12个样品中781种微生物细菌属加权度前10的细菌属在表3中进行表示,样本节点在表4中进行表示. 它们均处于共现性网络图的中心,共现性和鲁棒性最好.另有60种细菌属的节点连通性和加权度均为1,例如:亚硝化单胞菌()、、unclassified_、、、及,还有55种细菌属的节点连通性和加权度均为0,均处于网络图的边缘.表明这些细菌属仅在极少的样品中出现,共现性最低,鲁棒性最差.其中,高原地区丰度较高的微生物特殊优势细菌属为_AKYH767、及IMCC26207.

图2 属水平下微生物种群共现性网络图

表3 属水平下物种节点表

某节点的联通性表示在网络中直接与该节点相连的节点数目,连通性越高表示该节点在整个网络中重要性越高,连通性非常高的节点也称为Hub节点.针对4个温度下的样本,具体细菌门和属水平下的样品节点统计见表4.

表4 门水平和属水平下样品节点联通性

门水平下的节点联通性可表示优势细菌门在活性污泥微生态系统中的作用,其最好的3个样品(节点联通性)依次为:10℃的缺氧池(30)、15℃的缺氧池(29)及15℃的厌氧池(29),最差的3个样品依次为:15℃的好氧池(26)、25℃的厌氧池(24)及25℃的缺氧池(20).即优势细菌门在10℃的缺氧池、15℃的缺氧池及15℃的厌氧池的活性污泥中发挥的作用较为显著,在15℃的好氧池、25℃的厌氧池及25℃的缺氧池的活性污泥中发挥的作用较小.

属水平下节点联通性最好的3个样品(节点联通性)依次为:15℃的缺氧池(505)、15℃的厌氧池(493)及20℃的厌氧池(491),最差的3个样品依次为:25℃的好氧池(394)、15℃的好氧池(379)及25℃的缺氧池(376).其与门水平下的样品节点的研究结果稍有差异,这是由于细菌门和细菌属在不同温度下处理单元的活性污泥中发挥的作用不同,且部分优势细菌属不在同一个门水平下等原因所导致.温度为15℃时,优势细菌门和细菌属发挥的作用较大,与去除效果的研究结果基本上一致.

2.2.2 微生物种间相关性分析 为阐述高原生境下A2O工艺中细菌群落物种间的相互关系,通过Networks软件绘制在门水平下和科水平下细菌属的相关性网络图(图3).物种相关性网络图主要反映某一环境条件下各分类水平的物种相关性.选取属水平总丰度前20种,并计算物种之间的斯皮尔曼等级相关系数,以反映物种之间的相关性.

图3 门水平和科水平下细菌属的相关性网络图

显示<0.05的物种,相关系数绝对值³0.8;图中节点的大小表示物种丰度大小,不同颜色表示不同的物种;连线的颜色表示正负相关性,红色表示正相关,绿色表示负相关;线越多,表示该物种与其他物种之间的联系越密切,度越大

在门水平和科水平下,16个细菌属具有相关性,联通性最好的5个细菌属(度)(聚类系数)为:(10)(0.47)、(8)(0.57)、(8) (0.57)、(8) (0.61)、_ R-7_group(7) (0.62),均与其他细菌属联系较为紧密;聚类系数为0.47～0.62,具有一定的相关性.联通性最差的5个细菌属(度)(聚类系数)为:unclassified_(4)(0.83)、(3)(1)、(2)(1)、(2)(1)、(1)(0),均与其他细菌属联系并不紧密.聚类系数为0的表示无相关性,为1的表示具有极好的相关性.

在门水平和科水平下,丰度前20的细菌属中共有4种细菌属与其他细菌属均无相关性,分别是:伯克氏菌科(unclassi)、IMCC26207、、unclassified.具有相关性的细菌属处于网络图的边缘与、和共3种细菌属联通,且呈正相关;与、、、及G30-KF-CM45共5种细菌属联通,也呈正相关.即在同一门和科水平下具有相关性的菌属具有相似或相反的功能和习性,但与菌属丰度的高低无直接关系.这一结论与康小虎[10]的研究丰度较低的细菌属之间的关系更为密切的结论不吻合,产生这一现象的原因与高原独特的生境有关,其机理有待后续研究进一步揭示.

2.2.3 微生物群落功能及变化 通过PICRUSt中存储了greengene id对应的直系同源蛋白质簇COG信息对OTU丰度表进行标准化,获得OTU对应的COG家族信息,并计算其功能分类及相对丰度.COG数据库对活性污泥样品中4512个功能蛋白进行了同源蛋白质功能分类共24小类,其预测功能主要可分为细胞生长与传导、信息储存与加工、分解及合成代谢、贫乏特征4大类,不同温度的A2O工艺活性污泥样品的微生态群落物种的COG功能分类及丰度如图4所示.

由图4可知:温度的改变对微生态群落物种繁殖相关的蛋白质功能分类及丰度几乎无影响(=0.509> 0.05).说明在高原地区A2O工艺微生物的蛋白质功能及分类保持稳定,这与微生物的生长和繁殖密切相关.这与康小虎[10]的研究结论较为相似,崔迪[16]的研究结论不一致.这可能由于高原环境下温度的变化对微生物群落蛋白功能影响较小,而在寒冷地区下季节性温度的变化对其影响较大,即温度变化在高原和寒冷地区对微生物蛋白功能的影响差别较大.

功能蛋白质种类的丰度高低代表着微生态群落物种生长繁殖的重要性.功能蛋白质种类丰度最高的为功能表达的[S]功能未知和[R]一般功能预测2类功能蛋白,丰度较高的为信息储存与加工的[E]氨基酸运输与代谢和[K]基因转录2类功能蛋白,其次为[M]细胞壁/膜/质膜形成、[C]能量产生与转化、[P]无机离子运输与代谢、[G]碳水化合物运输与代谢及[T]信号转导机制,丰度最低的为细胞生长与传导的[Z]细胞骨架和[W]胞外结构2类功能蛋白.

图4 不同温度下活性污泥样品COG功能分类及丰度

A:RNA合成和修饰,B:染色质结构和动力学,C:能量产生和转化,D:细胞周期调控、细胞分裂、染色体分区,E:氨基酸运输和代谢,F:核苷酸运输和代谢,G:碳水化合物运输和代谢,H:辅酶运输和代谢,I:脂质运输和代谢,J:蛋白质翻译、核糖体结构和形成,K:基因转录,L:DNA复制、重组和修复,M:细胞壁/膜/质膜形成,N:细胞运动,O:翻译后修饰,蛋白质折叠与分子伴侣,P:无机离子运输和代谢,Q:次生代谢产物生物合成、转运和分解代谢,R:一般功能预测,S:功能未知,T:信号转导机制,U:胞内合成、分泌和运输,V:免疫机制,W:胞外结构,Z:细胞骨架

对每个温度下3个池子的样品COG丰度进行合计,并求出所有样品丰度的总和,筛选丰度前10的COG编号,其丰度及功能蛋白如表5所示.

表5 不同温度污泥样品COG丰度及功能

在A2O工艺的活性污泥中,微生物群落细胞中脱氢酶/还原酶丰度最高,这表明细胞可充分利用糖类、氨基酸等有机物使底物发生氧化还原反应.其次是转录调节因子,它与细胞的信息存储和进程有关.接着是膜转运蛋白,它为污染物的有效去除提供了保障.组氨酸激酶、RNA聚合酶、酰基辅酶A脱氢酶、α/β水解酶等丰度也较高,它们是细胞合成、分解及代谢的重要催化剂. 温度为20℃时基本上各COG丰度为最大,这与15℃时去除效果最佳的研究结果存在差异.这可能由于不同温度下各处理单元之间丰度差异较大和15℃时COG的丰度满足了微生物群落细胞的合成、分解及代谢等活动,而最终影响了C、N、P污染物的去除效果.COG的编号不同,其功能可能相同,如COG0583和COG1309的功能均为转录调节因子.

2.3 微生物代谢途径

2.3.1 微生物群落主要代谢途径 为进一步讨论高原地区A2O工艺中活性污泥的微生物群落细胞代谢途径,通过PICRUSt去除16S marker gene在物种基因组中的copy数目的影响,获得OTU对应的KEGG Orthology (KO)信息,根据KEGG数据库的信息和OTU丰度,得到295条代谢途径(Pathway)各个样品的丰度表.对每个温度3个池子样品代谢途径的丰度进行合计,求出所有样品丰度的总和,并筛选前20的代谢通路,如表6所示.

表6 不同温度污泥样品主要代谢途径及其丰度

由表6可知,ABC转运蛋白的丰度最高,是污染物主要的去除途径,其可通过水解ATP主动运输如脂类、糖、离子、蛋白质、肽及药物分子等底物,使微生物细胞对污染物吸收和利用.其次为细菌双组分调节系统,主要存在于原核生物的细胞中,是由反应调控蛋白和组氨酸激酶组成,主要功能是利用双组分蛋白的磷酸化和去磷酸化来调节细胞的信号传导[17].丰度较高的代谢途径还有嘌呤、嘧啶代谢及核糖体等,它们的主要功能是氮和磷的去除,这为污水中的微生物提供了大量的糖类、脂类和蛋白质等有机底物[18].其他丰度较高的代谢主要是去除碳、氮、磷的途径,主要碳去除代谢途径为原核生物中的碳固定,糖酵解/糖异生,丙酮酸、丙酸酯及氨基糖和核苷酸糖代谢;主要氮去除代谢途径为精氨酸、脯氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸的代谢;主要磷去除代谢途径为氧化磷酸化、脂肪酸和丁酸代谢.这些丰度较高的代谢途径在细菌群落中适应了高原地区的特殊生境,这对高原环境的微生态稳定性和特殊性等方面发挥着极其重要的作用.温度为20℃时,所有代谢途径的丰度均达到最大,丰度最小时无明显对应的温度,这与COG丰度的变化规律相似.

2.3.2 微生物群落主要碳代谢途径 根据OTU对应的KEGG Orthology (KO)信息,共获得5760个基因,筛选出丰度前15 跟碳代谢相关KO,查询对应的基因和酶,并从上述295条代谢途径(Pathway)的丰度表中选出对应的碳代谢途径,如表7所示.

表7 碳相关基因及代谢途径

注:EC为酶的缩写形式.

丰度较高的碳代谢相关的KO对应的酶主要为葡萄糖酶类、乙酰辅酶类、转移酶类及甘油酶类,对应的碳代谢途径主要有糖酵解/糖异生,丙酮酸代谢,乙醛酸和二羧酸的代谢,丙酸代谢,原核生物中的碳固定途径,缬氨酸,亮氨酸和异亮氨酸降解,磷酸戊糖途径,半乳糖代谢,淀粉和蔗糖代谢,氨基糖和核苷酸糖代谢,TCA循环,甲烷代谢等.这些基本代谢途径是高原地区A2O工艺微生物群落细胞降解有机污染物为无机物并释放出CO2和H2O的基本保障.丰度最高的酶为酰基转移酶(EC:2.3.1.9),属于转移酶,参与了丙酮酸、乙醛酸和二羧酸的代谢.

参与碳代谢的微生物群落菌属主要的作用分为降解有机物和产生胞外多聚物,其中降解有机物的优势菌属丰度较高的依次为戈登氏菌属(G)[19],毛球菌属()[20],[21],[22-23],铁锈菌属(r),慢生根瘤菌属()[24],,黄杆菌属(Flavobacterium)[25].产生胞外多聚物的依次为根瘤菌属(),链球菌属(),芽孢杆菌属(),假单胞菌属()[16].

2.3.3 微生物群落主要氮代谢途径 由表8可知,丰度较高的氮代谢相关的KO对应的酶主要为谷氨酶类、酰胺酶类、氧化还原酶类及合成酶类,最主要的氮代谢途径为氮代谢(ko00910)和丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢(ko00250).其他氮代谢途径为氮素代谢,细菌双组分调节系统,硒化合物代谢,精氨酸和脯氨酸代谢,苯丙氨酸代谢,色氨酸代谢,氨基苯甲酸酯降解和苯乙烯降解等.

表8 氮相关基因及代谢途径

脱氮的微生物群落菌属主要为硝化细菌和反硝化细菌,本研究中硝化细菌丰度较高的依次为罗丹杆菌(),硝化螺旋菌属 ()[26-27],[28],亚硝化单胞菌属 (),.反硝化细菌主要为[29],单纯螺旋藻()[30],嗜热菌()[31],[32],不动杆菌属()[33],索氏菌属()[34],丛毛单胞菌属()[35],[20],假单胞菌属()[36],脱氯单胞菌属()[37],氢嗜胞菌属()[38],黄杆菌属()[39].

2.3.4 微生物群落主要磷代谢途径 由表9可知,丰度较高的磷代谢相关的KO对应的酶主要为磷酸酶类、甘油酶类、氧化还原酶类及转移酶类,基因K02274和K02276对应同一个酶为细胞色素C氧化酶亚基.最主要的磷代谢途径为氧化磷酸化(ko00190),其次为甘油磷脂代谢(ko00564)、甘油脂代谢(ko00561).丁酸代谢,嘌呤代谢及磷脂酰肌醇信号系统等途径也参与了磷代谢.

本研究中聚磷菌(PAOs)丰度较高的依次为不动杆菌属(),假单胞菌属(),四球虫属()[40],单胞菌属(),红环菌属()等,反硝化除磷微生物菌群(DPAOs)为红杆菌属(),,等.聚磷菌群通过氧化磷酸化代谢途径将无机磷转化为ATP,为微生物群落的增长繁殖提供能量.氧化磷酸化是PAO合成PHA的主要能源的代谢途径,在高原地区A2O工艺的磷代谢途径中丰度最高.

2.4 微生物的功能基因

根据OTU对应的KEGG Orthology (KO)信息,共获得5760个基因.求出每个温度下3个池子样品总和的KO丰度和所有样品KO丰度的总和,筛选丰度前20的KO编号,查询对应的基因丰度和基因功能,如表10所示.

表9 磷相关基因及代谢途径

表10 不同温度污泥样品KO丰度及功能(前20)

根据表10可知,丰度最高的KO是K01692,对应的基因名称为paaf和echa,编码产物为烯酰辅酶A水合酶类,包括加氢裂解酶和碳-氧裂解酶.它们参与了多种氨基酸的降解和细胞碳水化合物的固定,其在高原地区A2O工艺系统的碳固定和氮代谢中发挥着重要作用.同时也表明该基因能高效转录和翻译,对有机污染物的去除有着显著的贡献.K00626丰度也较高,编码基因为acat和atob,基因的编码产物为乙酰辅酶A C-乙酰转移酶.其属于转移酶类,丰度处于第4位,可将乙酰辅酶A和乙酰辅酶C通过转移酰基生成乙酰乙酰辅酶A[10].它主要在氮代谢中发挥着显著作用[41].

K00128在KO信息库中丰度较高,编码基因为aldh,编码产物为醛脱氢酶(NAD+).其属于氧化还原酶类,可发生:醛+ NAD++H2O=羧酸盐+NADH+H+反应,可以为细胞存储能量.K01011对应的基因为tst, mpst及ssea,编码产物为硫代硫酸盐或3-巯基丙酮酸硫转移酶,主要功能为硫代谢.K01524的基因为ppx-gppa,产物为外多磷酸酶、鸟苷5'-三磷酸,3'-二磷酸焦磷酸酶,其主要在磷代谢中发挥着重要的作用.大多数的KO和基因中,丰度最高的工况为20℃,与COG和代谢途径最高丰度时的温度一样,丰度最小的工况为10℃.这表明在高原地区A2O工艺系统中,微生物群落的基因和酶活性最适宜的温度为20℃,最不适的温度为10℃.

COG、酶、基因及代谢途径最适宜的温度为20℃,而COD、TN及TP的去除率和去除效果最佳时的温度为15℃.分析原因为:1.不同温度下不同反应器之间丰度差异较大,去除COD、TN及TP的主要反应器的COG、酶、基因及代谢途径可能在15℃时的丰度最大.2.主要的COG、酶、基因及代谢途径在20℃丰度最大,不足以说明所有的与COD、TN及TP的有关的COG、酶、基因及代谢途径在20℃丰度都能达到最大或处于高效状态.3.温度为15℃时,进水浓度及浓度比适宜,而COG、酶、基因及代谢途径的丰度满足了微生物群落细胞的合成、分解及代谢等活动所需,使得COD、TN及TP的去除率和去除效果达到了最佳.这些可能将成为下一步的研究方向,其具体原因和机理尚待进一步的研究.

3 结论

3.1 高原生境下A2O工艺的优势细菌门为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、厚壁菌门及绿弯菌门,优势细菌属为___AKYH767、腐败螺旋菌、、伯克氏菌、IMCC26207、.特殊的优势细菌属为___AKYH767、及IMCC26207.

3.2 温度为15℃时,COD、TN及TP 3种污染物的去除率和去除效果均达到最佳,优势细菌门和细菌属发挥的作用较大.微生物群落的COG、代谢途径、基因和酶活性最适宜的温度为20℃,基因和酶最不适的温度为10℃.

3.3 微生物群落主要的代谢途径为:ABC转运蛋白,细菌双组分调节系统,嘌呤、嘧啶及核糖体等代谢.主要碳代谢途径为原核生物中的碳固定,糖酵解/糖异生,丙酮酸、丙酸酯及氨基糖和核苷酸糖代谢等;主要氮代谢途径为氮(素)代谢,精氨酸、脯氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸的代谢等;主要磷代谢途径为氧化磷酸化、甘油磷脂代谢及甘油脂代谢等.

3.4 微生物群落主要的基因产物(酶)为:烯酰辅酶A水合酶类、乙酰辅酶A C-乙酰转移酶、醛脱氢酶(NAD+)、硫代硫酸盐及外多磷酸酶等.主要碳代谢为葡萄糖酶类、乙酰辅酶类、转移酶类及甘油酶类等;主要氮代谢为谷氨酶类、酰胺酶类、氧化还原酶类及合成酶类等;主要磷代谢为磷酸酶类、甘油酶类、氧化还原酶类及转移酶类等.

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Microbial mechanism of A2O process for wastewater treatment in plateau habitat.

HAO Kai-yue, LI Yuan-wei, ZONG Yong-chen*, YOU Jun-hao, GUO Ming-zhe

(Water Conservancy Project & Civil Engineering College, Tibet Agriculture & Animal Husbandry University, Nyingchi 860000, China)., 2021,41(5)：2240～2251

Based on Illumina MiSeq high-throughput sequencing technology, the structure, abundance and correlation of the microbial community at different temperatures were discussed in the A2O process activated sludge under the plateau habitat. Combined with the role of the main functional proteins, functional genes, enzymes and their abundance in the metabolic pathways of carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur and other pollutants during the decomposition, adsorption and transformation of pollutants, the microbial mechanism of A2O process for sewage treatment in plateau area was analyzed from the perspective of biochemistry and molecular level. The results showed that the dominant bacterial Phylum were Proteobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Firmicutes and Chloroflexi, and the dominant bacterial genusAKYH767,,, unclassified, IMCC26207, and. The optimum temperature for pollutant removal and microbial community was 15℃, and the optimum temperature for COG, metabolic pathway, gene and enzyme activity of microbial community was 20℃. The main functional proteins were general function prediction only, amino acid transport and metabolism, transcription. The main metabolic pathways were ABC transporters, two-component system, purine metabolism, ribosome and pyrimidine metabolism. The main functional gene products (enzymes) were enoyl-CoA hydratase, acetyl-CoA C-acetyltransferase, aldehyde dehydrogenase (NAD+), thiosulfate and exopolyphosphatase.

microbial mechanism；A2O process；plateau habitat；Illumina MiSeq sequencing；functional genes

X703

A

1000-6923(2021)05-2240-12

郝凯越(1997-),男,河北武安人,西藏农牧学院硕士研究生,主要研究方向为水利工程对水生态环境的影响.发表论文20余篇.

2020-10-13

国家自然科学基金资助项目(51868069);西藏地区自然科学基金资助项目(XZ 2018 ZR G-20)

* 责任作者, 教授, zyc_2001@sohu.com