科研 | 中科院成都生物所：甲烷氧化与硝化-反硝化耦合的微生物群落结构和功能的划分（国人佳作）( 二 ) 作者：微生态编译：微科盟H

微生物群落组装过程是塑造群落结构的生态系统过程。该过程具有确定性和随机的，可以通过零模型分析进行量化。确定性组装主要通过环境选择进行处理，某些因素可能是塑造群落结构的关键。环境选择可能诱导相对稳定的群落的组装。随机过程基本上涉及随机过程，例如物种形成，扩散，定植和生态漂移），当运行不稳定或添加新材料时常见于反应器系统中。HfMBR可能通过其特定的设计和运行过程在结构和功能上产生微生物群落的分区。然而，很少有报告研究了HfMBR中的微生物群落组装。通过了解运行参数（反应器设计和氧气供应）与群落组装过程之间的相关性，能够设计出更合适的策略来提高甲烷利用率和除氮效率。
结果与讨论
1 O2/CH4比率决定脱氮性能
调节供气量，使膜腔中的O2/CH4比为0.84、1.47和2.1 ，以此划分三个运行阶段。铵、硝酸盐和亚硝酸盐浓度随时间的变化如图1a所示。入口铵浓度控制在530 mg N/L 。第一阶段出口氨浓度迅速下降至200 mg N/L ，第二阶段维持在150 mg N/L ，脱氮速率分别为77.5和95 mg/(L·d) 。第三阶段铵浓度稳定在130 mg N/L 。前两个阶段硝酸盐和亚硝酸盐的平均积累浓度分别为21.97和42.63 mg N/L 。当O2/CH4比提高到2.1时，亚硝酸盐几乎被消除，硝酸盐积累到约45 mg N/L 。三个阶段的平均总无机氮（TIN）去除率分别达到150、300和355 mg N/L 。
相应的TIN去除效率分别为28.3%、56.67%和66.98% 。在整个过程中，入口后和出口前检测到的pH值分别保持在7.5和5.8的水平。在入口之后和出口之前测量的DO（图1b）显示出对应于O2/CH4比率的增加趋势。DO变化趋势与铵出口浓度一致，可以解释一阶段和二阶段脱铵量增加的原因是供氧。在第三阶段，当DO超过3mg/L时，铵去除效率没有进一步提高，而亚硝酸盐被氧化，硝酸盐积累，这可能表明DO不是第三阶段氨氧化的限制条件。
Sun等人（2013）使用甲烷作为唯一碳源在中空纤维膜反应器中实现硝酸盐去除硝酸盐，当O2/CH4比约为1.5时，硝酸盐去除率最高，达到83% 。然而，在他们的研究中，当O2/CH4比率持续增加时，硝酸盐去除速率会下降。Modin等人创建了物理分区，其中甲烷和氧气通过中空纤维膜渗透到膜表面上生长的生物膜，而含硝酸盐的液体被划分为厌氧腔。他们认为甲烷氧化菌更倾向消耗中空纤维膜上生长的生物膜内部的氧气和甲烷，能够增强甲烷氧化过程并为反硝化作用创造厌氧微环境。当O2/CH4比值不断增加时，反硝化作用却受到高溶解氧的抑制。相应地，最佳O2/CH4比率为1.68 。然而，他们并没有揭示微生物生物膜隔室和反硝化菌对氧气的响应机制。我们的结果与上述报道基本一致。最佳O2/CH4比率介于1.47和2.1之间。在这项研究中，底物是铵，理论上氨氧化需要更多地氧气来完成。尽管如此，第三阶段的高氧注入并没有显著刺激氨氧化。随后，我们将研究微生物群落组装，以更好地了解氧气、功能微生物群和空间分布之间的关系。

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图1 （a）铵、亚硝酸盐和硝酸盐浓度随培养时间和O2/CH4比率的阶段变化；（b）入口后（DO入口）和出口前（DO出口）的溶解氧浓度。
2 物理分区和不同O2/CH4比率影响下微生物群落的组装差异
α多样性随时间和空间而变化（图2）。在空间维度上，中控纤维膜样本的α-多样性相对较低，但三部分没有表现出显著差异（P-welch's t-test ＞0.09）。在时间维度上， α多样性在三个阶段之间没有显著差异（P-welch's t-test ＞0.10），阶段二表现出最低的α多样性，而阶段一和三表现出相似的α多样性。然而，通过物理分区和O2/CH4比率阶段分组的微生物群落的PCoA分析显示出显著差异（分别为ANOSIM ， R=0.2866 ， p=0.004和R=0.2586 ， p=0.004），如图3a和3b所示。中空样品中微生物群落的组成与液体/混合样品中的微生物群落有显著差异，因为来自中空的样品分别聚集在PCoA后面的组分1中，占总变异性的30.57% 。各个阶段的微生物群落在PCoA中的各个阶段彼此分开，以下组1占总变异性的 32.35% 。空间维度的α多样性和PCoA分析表明，注入甲烷和氧气的中空纤维膜使微生物群落更为丰富。时间维度的α多样性和PCoA分析表明O2/CH4比是影响微生物群落结构的主要因素。