科研 Water Research：微曝气对黑水厌氧消化池微生物生态位及耐药性的影响

　　科研 Water Research：微曝气对黑水厌氧消化池微生物生态位及耐药性的影响

　　不同氧浓度下微生物群落有显著差异（p 0.05），且低氧浓度和高氧浓度下微生物的生态位分离。

　　在室温下，源分离黑水（厕所冲水）的厌氧消化（Anaerobicdigestion, AD）对颗粒物质的快速水解提出了挑战。本研究考察了不同微曝气量对黑水厌氧消化的影响。序批式反应器在室温（22±1℃）下运行，微曝气（每个循环0、5、10、50和150 mg O2g−1CODfeed），水力停留时间从5天逐渐减少到2天。在低氧剂量（即0、5、10）下产甲烷效率更高，而在高氧剂量（即50、150）下挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）积累更多。不同氧浓度下微生物群落有显著差异（p 0.05），且低氧浓度和高氧浓度下微生物的生态位分离。低氧剂量生态位（0、5和10 mg g−1CODfeed）由发酵和共营养细菌（如噬细胞菌属（Cytophaga）、共养单胞菌属（Syntrophomonas））和产甲烷菌（如甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷绳菌属（Methanolinea）和甲烷丝菌属（Methanosaeta））定殖。高氧剂量生态位（50和150mg g−1CODfeed）具有更多显著（p 0.05）存在的兼性厌氧菌（伊格氏菌属（Ignavibacteriales）和阴沟杆菌属（Cloacamonales））和好氧菌（红环菌属（Rhodocyclales））。此外，黑水可能是抗菌素耐药性基因（antimicrobial resistance genes，ARGs）的来源，且这些基因会受到不同氧气剂量的影响。同时ARG的变化与微生物群落组成相关（p 0.05）。低氧剂量比高氧剂量的群落包含更高致病率的可移动基因元件（intI1和korB）和tetM，ermB，sul1，sul2和blaCTX-M，这表明氧剂量影响携带ARG群体的患病率。这些发现表明，微曝气应用于AD可用于控制ARG的分布。

　　在图2A中显示了古细菌群落中观测到的属水平的数量 (群落丰富度)。在低氧剂量反应器 (0、5和10mgg−1CODfeed) 中的古细菌群落 (分别为8-13、10-12、10-12属) 通常显示出比高氧剂量反应器 (50和150mg g−1CODfeed分别为5-9和7-10属) 群落更高的丰富度。在第一阶段 (HRT 5 d)，50mgg−1CODfeed使丰富度由厌氧条件下的13个属降至5个属；然而丰富度在随后的几个阶段逐渐恢复。150mgg−1CODfeed的高氧剂量导致群落丰富度从10属逐渐减少到7属。在第4阶段 (HRT 2 d)，古细菌群落丰富度（分别为12、12、11、9和7属）与耗氧量（0、5、10、50和150mgg−1CODfeed）呈负相关 (皮尔逊相关系数r = -0.96，p= 0.01)；总古菌相对丰度也与氧剂量呈负相关 (0、5、10、50和150mgg−1CODfeed分别为0.94%、0.58%、0.41%、0.28%和0.21%，皮尔逊相关系数r = -0.97，p= 0.005)，表明较高的氧剂量可能抑制一些古菌的生长。图2 B中的维恩图显示了最后阶段共有和独特的古细菌属的数量。所有反应器有的四个属，为甲烷丝菌属（Methanosaeta）、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）、甲烷螺菌属（Methanospirillum）和来自甲烷瓣孢菌（Methanomassiliicoccaceae）科的未鉴定属。

　　，由于引入了较高的底物负荷和较高浓度的抑制化合物，形成了多样性较低但功能性较强的群落。高氧剂量群落

　　显示较低的细菌丰度，可能是因为氧对严格厌氧细菌的抑制作用。最后一个阶段共有

　　的降低与菌群的时间适应时间的延长有关，从而导致反应器间的差异增大。同样，细菌群落

　　对于古细菌和细菌群落，高氧剂量和低氧剂量群落之间的距离随时间而增加。在第

　　，高氧剂量和低氧剂量群落之间的距离与其他阶段相比最大，表明氧剂量和时间适应的共同作用导致了群落差异的增加。根据反应器性能

　　，在古细菌和细菌的高氧和低氧剂量条件下，微生物群落显示出明显不同的聚类。

　　我们的结果表明，氧剂量是导致微生物群落聚类的重要生态位因素，可能基于它们不同的组成位置和功能

　　图3.(A)古生菌群落和(B)细菌群落的基于Bray-Curtis距离的PCoA。

　　所示。不同的产甲烷菌在不同的氧气浓度下富集。在所有阶段，三个低氧剂量群落

　　）也在最后阶段的三个低氧剂量反应器中富集，但在高氧剂量反应器中未被检测到。甲烷八叠球菌（

　　。已知拟杆菌门和厚壁菌门包括厌氧消化反应器中的功能性水解物和发酵剂，并且可以通过低氧范围的微曝气来促进。拟杆菌门和厚壁菌门在

　　的丰度，表明它们可能在微需氧和产酸条件下富集。低氧剂量反应器中某些细菌的相对丰度较高，包括贫油菌属（

　　在高氧和低氧剂量微生物生态位之间进行统计分析，以使用线性判别分析效应大小确定微生物

　　）降解丁酸盐。这些细菌和产甲烷菌之间的共生伙伴关系可能解释了在低氧剂量时

　　可以抑制水解过程。据报道，一些细菌可以在厌氧条件下发酵并降解长链脂肪酸，如

　　。拟杆菌是重要的水解和产酸细菌，脱硫微生物可以利用丙酸盐产生乙酸盐，这可能有助于在

　　。伊格纳菌目含有兼性厌氧物种，具有可用于植物生物量的分解和纤维素分解活性的糖苷水解酶功能的产生。据报告，在厌氧消化过程中，阴沟杆菌目

　　）可以通过消耗氧气抵抗微毒性条件，然后在没有氧气的情况下恢复生长，具有

　　图6. 第2-4阶段黑水厌氧消化系统在高氧和低氧条件下建立的微生物生态位的线性判别分析效应大小 (Linear discriminant analysis Effect Size，LEfSe)分析。(A) 在门、纲和目水平上显示的分类群。(B)在属水平上显示的类群。红色的点和阴影表示在高氧剂量条件下 (50和150 mg g

　　) 的丰度显著更高，绿色表示在低氧剂量条件下 (0、5和10 mg g

　　在进料黑水中的丰度相对较低，它们在反应器中的增加可能是由氧气剂量和富集的微生物群落引起的，而不是由进料引起的。在其他研究中发现，氧气水平会影响

　　。一项比较好氧活性污泥和厌氧消化污泥的研究表明，厌氧污泥比好氧污泥具有更高的整合子和结合转座子，但质粒较低。相反，另一项研究发现，整合子和质粒在好氧污泥中比在厌氧污泥中高得多。

　　分布在很大程度上受到本地微生物群落的影响。微生物群落宿主在低氧条件下比在高氧微曝气过程中容纳更多的

　　基因的比值保持不变。假设微生物在厌氧条件下的生物活性低于好氧条件，从而限制了

　　的增长。然而，与我们的研究结果一致的是，一些研究表明厌氧污泥比好氧污泥含有更多的

　　如宏基因组分析所揭示的，厌氧污泥微生物宿主比厌氧污泥具有更高比例的外排泵和目标修饰基因，因此好氧和厌氧

　　基因序列分析的预测外排泵基因，该数据库揭示了一些基因在高氧剂量条件下更高，包括外排泵

　　用分离的大肠杆菌，与厌氧条件相比，半好氧条件可以减少垃圾渗滤液中大肠杆菌质粒的基因转移。最近的一项研究报告了氧化还原条件对废水处理过程中偶联基因转移频率的影响，

　　不同微生物的水平基因转移和抗生素抗性能力也不同，因此微生物群落组成是决定相对

　　。在将生物固体排放到环境中之前，应用有氧或高剂量微氧条件可能有助于减少

　　适当剂量的微曝气可以改善常温下黑水的厌氧消化。厌氧序批式反应器采用不同的氧气剂量(0、5、10、50和150 mg g

　　 0.05)。群落差异(β-多样性)和反应器性能差异表明形成了不同的微生物生态位，即低氧剂量生态位(0、5和10 mg g

　　利用LEfSe分析揭示了这两个生态位中差异标记微生物。厌氧共生菌(如互营单胞菌属（

　　）)在低氧剂量生态位中富集。兼性厌氧细菌和好氧细菌是高氧剂量生态位的标志(如伊格纳菌目（

　　）)。由于黑水中可能含有对ARGs起促进作用的物质，黑水和反应器中的ARGs和相关MGEs相对于细菌总数进行了定量。

　　微曝气在污水处理中的应用受氧气用量的影响很大，因为它决定了微生物群落的生态位和ARG的流行。总的来说，这项研究强调了向厌氧消化系统输入适当的氧气有助于管理反应器性能和ARG水平，这为未来的厌氧消化应用提供了一种策略。