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）( 四 ) 作者：微生态编译：微科盟H

Ignavibacterium在中空膜具有较高的相对丰度，而在液体/混合填料中的丰度较低。属于Chlorobi组的Ignavibacterium充当清除者并在死亡的生物质和/或碳氢化合物降解的代谢物上茁壮成长。中空膜的Ignavibacterium的最高相对丰度表明生物量的高度积累，这表明中空膜具有高微生物富集的潜力。氨氧化细菌（AOB），如Nitrosomonadales和Nitrosomonas在液体/混合物中的含量更高，但它们的相对丰度之和小于1% 。据报道， Commonadaceae能够在硝酸盐还原条件下降解p-烷基化芳香族化合物。Commonadaceae的许多菌株是反硝化菌，其中一些进行常规的厌氧异养反硝化，而另一些在好氧反硝化中发挥作用。Mesorhizobium和Hyphomicrobium是降解醋酸盐和甲醇的反硝化菌。据报道，在反硝化菌群中存在Rhodanobacter ，该属中的许多成员都能够还原硝酸盐。Methylobacillus属于Methylophilacea属，是与甲烷氧化相关的主要甲基营养反硝化菌。异养反硝化菌，如Commonadaceae、Mesorhizobium、Comamonas、Rhodanobacter和Hyphomicrobium在液体/混合中更为丰富，而甲基营养反硝化菌Methylobacillus在中空膜中的相对丰度更高。由于中空膜是发生甲烷氧化的主要区域， Methylobacillus倾向于固定在甲基碳的中心。

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图4 （a）属水平微生物群落的时空分布；（b）Wilcoxon秩和检验表征中空纤维膜与悬浮液体/混合填料微生物之间的差异属。
4 基于物理分区和不同O2/CH4比率的功能基因分布
研究尽管揭示了HfMBR中丰富的甲烷氧化菌群和一些氨氧化细菌和反硝化菌，但未分类的种群仍然限制了对于有助于去除氮污染物的微生物和生化过程的理解。为了更多地了解驱动甲烷和铵去除的功能微生物，研究对HfMBR中的甲烷氧化、硝化和反硝化相关的功能基因进行了qPCR分析。基于DNA的目标功能基因（包括pmoA、AOB-amoA、nxrB和nirS基因）定量以及通过16S rRNA测序预测的相应细菌种群如图5所示。负责编码甲烷单加氧酶的pmoA基因的绝对丰度范围为6.55×109到1.40×1011 copies/g 样本（图5a-c）。在空间维度上，中空纤维膜微生物样品一般拥有最高的pmoA基因拷贝数。在时间维度上，中空纤维膜微生物样品在第一阶段的pmoA基因拷贝数最高，约为1.40×1011copies/g 样本，然后在第三阶段结束时下降到2.67×1010 copies/g 样本。液体和混合填料中的最高拷贝数在第二阶段实现。基于16S rRNA基因测序的群落组成显示，主要的甲烷氧化菌是Methylocaldum、Methylobacter和Methylosinus 。甲烷氧化菌的总相对丰度与pmoA基因拷贝基本一致（R2=0.4332 ， P=2.165E-06 ，如图6a所示），论证了主要甲烷氧化菌的识别和甲烷氧化菌的中空纤维膜偏好。pmoA基因的全拷贝呈下降趋势，这可能是因为：1）高曝气速度缩短了甲烷暴露于甲烷氧化菌的时间；2）因为一些被AOB被证明能够将甲烷氧化成甲醇，因此，它们可能与甲烷氧化菌竞争底物。虽然铵浓度沿阶段继续下降（图1），但观察到硝酸盐随着阶段三的延长而增加，原因可能是缺乏通过甲烷氧化转化的有机物。因此，甲烷氧化的最佳O2/CH4比率建议为1.47 ，进一步提高O2/CH4比并不能促进甲烷氧化。

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图5 功能微生物群的相对丰度及其通过qPCR测量的绝对丰度。线图表示功能基因拷贝数。条形图表示功能细菌的相对丰度。