16S多样性组成谱研究,9.13分的Water Resear

2021
08/13

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派森诺生物
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大豆是主要工业和粮食作物之一,因其高蛋白含量与丰富的氨基酸组成,成为传统且受欢迎的食物。但大豆的加工会产生大量高浓度有机废水,这些有机废水的化学需氧量(COD)与含氮量高、pH低,若不经处理直接排放到环境中,将对环境和人类造成危害。


期刊:Water Research

影响因子:9.13


Water Research是国际水协会IWA出版的水资源研究领域权威期刊,目前影响因子达到9.13,且逐年增长,在水资源同类期刊中持续保持第一

Water Research影响因子逐年增长,越来越高!

(来源:https://journalinsights.elsevier.com/journals/0043-1354/impact_factor

近年来,微生物组研究如火如荼,想要发表TOP期刊论文也难上加难。诚然,加大样本量结合多组学研究,可以提升发表TOP期刊论文的成功率;但是,这并非唯一的途径!其实,只要研究设计合理,仅仅通过微生物群落多样性组成谱研究,也能登陆TOP期刊哦!

近期,派森诺分别与哈尔滨工业大学和东华大学合作,合作成果相继发表于《Water Research》,可喜可贺!有意思的是,这两项合作成果,都是通过16S rRNA基因测序(分别使用了三代/二代测序技术),对微生物群落的多样性组成谱进行解析研究,从而成功发表。他们的奥秘何在呢?

# 文章1#

单分子测序揭示饮用水系统中,锰氧化微生物组对不同生物滤池介质的响应

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135419312011


# 研究背景 #

高速生物砂滤系统(RSBF)广泛应用在饮用水的处理上,地下水中的氨、铁和Mn(II)能被RSBF系统中的微生物氧化。目前已经从饮用水系统中分离出一些锰氧化细菌(MnOB),但这些微生物的作用过程仍需继续探索。生物过滤介质作为生物过滤系统的主要组成部分,会影响污染物的转化、生物膜的形成和微生物群落结构,研究微生物对不同过滤介质的响应,有助于揭示锰氧化细菌作用的过程。

锰砂,具有较高的吸附能力,且在锰氧化物存在下,Mn(II)会自动降解,因而在饮用水处理厂中被用做生物过滤介质。磁铁矿能介导电活性细菌和产甲烷菌之间的直接种间电子转移(DIET),且在微生物细胞外呼吸、微量金属螯合和污染物转化中发挥重要作用。然而磁过滤介质对Mn(II)的去除和RSBF中MnOB富集的影响还未被研究。

# 研究目的 #

本研究旨在探究不同生物滤池介质对RSBF中锰氧化的影响,并利用PacBio SMRT单分子实时测序技术,鉴定生物膜中与Mn(II)氧化有关的核心微生物,研究生物滤池介质与生物膜中微生物群落的关系。

# 研究方法 #

测序方法:PacBio Sequel平台

测序模式:16S rRNA基因全长

实验设计:

1. 分别以磁铁矿砂和锰砂为生物过滤介质建立高速生物砂滤(RSBF)反应器;

2. 在运行40、80和120天时,在不同深度处采集水样,进行三代全长多样性组成谱测序,分析不同过滤深度生物膜对Mn(II)氧化的贡献情况;

3. 采集每个样本对应的环境因子数据,分析微生物群落与环境因子的相关性。

# 结果展示 #

基于加权Unifrac distance的PCoA与层次聚类分析

RSBF中优势微生物的层次聚类热图分析

两种系统中的优势微生物相对丰度分布

细菌与非生物因素的相关性分析

MnS-RSBF和MagS-RSBF的关联网络分析


# 研究结论 #

本文报道了两种不同过滤介质高速生物砂滤系统(RSBF)中,Mn(II)的氧化和生物膜核心微生物群的动态变化,并得到以下结论:

1. 启动阶段,MnS-RSBF反应器的Mn(II)去除率高于MagS-RSBF。稳定运行后,两者没有明显差异,同时,Mn(II)去除率在MnS-RSBF中,不同深度下显著不同,但在MagS-RSBF反应器中受深度的影响小;

2. 两种介质中的初始微生物结构受过滤器介质种类影响而具有明显差异,但随着时间推移,两种介质中的微生物群落差异逐渐变小;

3. 通过三代测序技术,本研究鉴定到多种MnOB属,比如Pedomicrobium、Pseudomonas和Hyphomicrobium,但种水平上只有Pedomicrobium manganicum与锰氧化有关,该微生物在两种反应器的起始阶段都有增加。

4. 相关性分析显示,Nordella oligomobilis和Derxia gummosa都与Mn(II)氧化有关;

5. 关联网络分析显示,MnS-RSBF中的微生物网络比MagS-RSBF更复杂,不过MagS-RSBF中更有利于Mn(II)氧化相关微生物的形成,即生物滤池介质在很大程度上影响了微生物群落的组成;

6. 最后,作者认为,铁矿砂和锰砂的混合生物滤池介质可能是快速砂过滤Mn(II)氧化的有效解决方案。


# 文章2#

生物反应器中,厌氧微生物如何助力废水降解和甲烷产生?

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135421002931


# 研究背景 #

大豆是主要工业和粮食作物之一,因其高蛋白含量与丰富的氨基酸组成,成为传统且受欢迎的食物。但大豆的加工会产生大量高浓度有机废水,这些有机废水的化学需氧量(COD)与含氮量高、pH低,若不经处理直接排放到环境中,将对环境和人类造成危害。

厌氧微生物处理被认为是处理高浓度有机废水的有效方法,耗能低、剩余污泥生成量少、有机化合物高耐受、还能回收能源。

基于以上考量,本研究自主研发了一种螺旋对称流厌氧生物反应器(SSSAB),并对其进行测试,以获得运行的稳定条件,使之能有效地对大豆加工废水进行处理。

# 研究目的 #

建立中试规模的大豆加工废水处理系统(P-SSSAB),测试其最大容积负荷率(VLR)与甲烷生产能力,并缩短水力停留时间(HRT),以探索能提高COD去除率与甲烷产量的运行参数;另外对大豆加工废水进行连续处理,分析其污泥床特性。

# 研究方法 #

测序方法:Illumina MiSeq平台

测序模式:细菌16S rRNA基因V3V4区与古菌16S rRNA基因V4V5区

实验设计:

①建立中试规模的大豆加工废水处理系统(P-SSSAB);

②将SSSAB反应区的污泥床从下往上依次划分为三个区域(一区、二区、三区),每个区域配备气体收集管,收集各自的微生物气体;

③从三个采样管以及进水口和出水口收集水样,测定化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)、挥发性脂肪酸(VFAs)和pH;

④分别于53、102、159、184、201、215天后从三个采样管收集厌氧颗粒污泥(AGS)样本,并分析粒度分布,提取胞外聚合物(EPS),分析蛋白质(PN)、多糖(PS)、辅酶F420含量,并用扫描电镜观察污泥颗粒;

⑤测定产甲烷活性;

⑥210天后,在每个区域采集污泥样本,基于高通量测序,对细菌16S rRNA基因V3V4区与古菌16S rRNA基因V4V5区进行测序,并使用QIIME 2分析流程(点击查看)对测序数据进行分析,以研究细菌和古菌微生物群落。

P-SSSAB实验装置示意图


# 结果展示 #

微生物群落的α多样性指数

接种污泥(seed)与三个区域的样本中优势微生物的群落结构


# 研究结论 #

本研究自主研发了一款高效螺旋对称流厌氧生物反应器(SSSAB),对其进行测试,并得到以下结论:

1. 本次建立的中试规模大豆加工废水处理系统(P-SSSAB),可以有效而稳定的运行;

2. P-SSSAB污泥床延垂直方向有明显的区域特征,一区(床的底部)是COD去除的主要贡献者,而三区(床的上部)是氨化作用的主要贡献者。随着P-SSSAB的VLR增加,AGS的活动性和稳定性同时增强;

3. 污泥床的微生物群落中,Firmicutes丰度高,表明P-SSSAB中的AGS对大豆加工废水有很强的适应性;

4. 高丰度的Syntrophomonas和Methanosaeta使P-SSAB具有很强的产甲烷活性。


上述研究的高通量测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。

文章索引:

文章1:Zhao X, Liu B, Wang X, Chen C, Ren N, Xing D. Single molecule sequencing reveals response of manganese-oxidizing microbiome to different biofilter media in drinking water systems. Water Res. 2020 Mar 15;171:115424. doi: 10.1016/j.watres.2019.115424. Epub 2019 Dec 19. PMID: 31887545.

文章2:Chen X, Zhou W, Li G, Song Q, Ismail M, Wang Y, Ren L, Cheng C. Anaerobic biodegradation of soybean-process wastewater: Operation strategy and sludge bed characteristics of a high-performance Spiral Symmetric Stream Anaerobic Bioreactor. Water Res. 2021 Jun 1;197:117095. doi: 10.1016/j.watres.2021.117095. Epub 2021 Mar 31. PMID: 33862392.



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关键词:
多样性,微生物,反应器,研究,介质,甲烷

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