木片生物反应器中哪些菌群在发挥作用？| 微生物专题
发表时间：2022.1.1
发表期刊：Journal of Environmental Management (IF 6.789)
关键词：路基循环水产养殖系统（RAS），木片生物反应器
陆基循环水产养殖系统 (RAS) 是目前用于环境可持续性水产养殖生产的最先进技术，木片生物反应器现已商用于处理RAS废水。但目前对木片生物反应器微生物群落了解很少，已知除了反硝化微生物之外还包括硫酸盐还原菌 (SRB)和硫氧化细菌 (SOB)等类群。当然除细菌外，真菌也在木片生物反应器的纤维素和木质素降解中发挥重要作用，虽也已证明具有去除硝酸盐的潜力，但目前仍缺乏深入的探索。
木片生物反应器微生物群落
16rDNA测序和16S/ITS/dsrA qPCR
三个木片生物反应器均用于商业淡水 RAS 养殖虹鳟（Oncorhynchus mykiss）废水的处理，生物反应器 1采用水平流动，生物反应器 2/3 采用垂直流动（图 S2）构建。
2017.10和2018.3两个时间点分别从木片生物反应器的入口、出口和 3个采样点（SP1-3）采集水样（0.22 μm滤膜过滤）。2017.10另采集了生物反应器中部表层下的木屑生物膜和出口管附近生物膜。
图 S2 三个木片生物反应器的关键特征、流程图
1. 木片生物反应器细菌，真菌和硫酸盐还原菌（SRB）的丰度分析
16S和ITS qPCR结果显示所有样品中细菌和真菌都很丰富。2017年反应器的水样和生物膜样品中细菌和真菌的丰度相似，入口/出口处水样和和出口生物膜样品细菌丰度高于真菌；2018年样本细菌丰度总体上高于真菌，反应器水样中细菌和真菌的丰度高于入口/出口水样。真菌的高丰度表明其是木片生物反应器微生物群落的重要成员，可能随木片进入反应器，通过降解纤维素等复杂的有机物支持反硝化微生物。
图 1. 三个生物反应器水样和生物膜样本中的细菌和真菌丰度
dsrA qPCR结果表明SRB在木片和出口生物膜样品中都很丰富；随着反应器中硝酸盐浓度的降低，SRB 丰度在RAS 1 反应器中从 SP 1-3逐渐升高（硝酸盐可抑制SRB对硫酸盐的还原）。而SRB 在入口和出口水样中的丰度较低，表明有机物量减少或氧气浓度增加时，它们会迅速消失。
图 2. 三个生物反应器水样和生物膜样本中的SRB丰度（dsrA拷贝）
2. 木片生物反应器细菌群落结构分析
16S rDNA测序结果显示所有样本中门水平最丰富的是变形菌门Proteobacteria，γ变形菌纲Gammaproteobacteria是最丰富的纲；已有的研究中表明生物反应器中关键反硝化细菌属于α变形菌纲Alphaproteobacteria和γ变形菌纲。Epsilonbacteraeota在RAS2反应器的入口（2018.3）和RAS3反应器两采样时间点的入口/出口和出口生物膜样本中很丰富，其可在硫循环中发挥重要作用。应器内水样和木屑生物膜中群落更多样化，厚壁菌门Firmicutes和拟杆菌门Bacteroidetes相对丰度较高，可能通过水解和发酵降解复杂有机物质促进反硝化群落。
图3 三个生物反应器水样和生物膜样本中细菌门水平相对丰度
硫循环相关菌群中SRB 的丰度通常低于SOB（图 S4）。前者在反应器内收集的水样和木片生物膜样品中含量更高，脱硫球茎菌属Desulfobulbus 是丰度最高的属；但与其他类群相比SRB 的相对丰度很低，表明 H2S 的产生在木片生物反应器中其是不是重要问题。后者在入口和出口样品中的丰度最高，Arcobacter弓形杆菌属以及 Epsilonbacteraeota 门的其他 SOB 成员能够氧化 H2S、硫代硫酸盐和元素硫产生硫酸盐，同时具有自养反硝化能力。
图 S4 三个生物反应器水样和生物膜样本中SRB（A）和SOB（B）类群属水平丰度
本研究使用 qPCR 和 16S扩增子测序对细菌和真菌群落进行了量化和表征，结果发现生物反应器承载了很高生物量的细菌和真菌。尽管入口微生物群落组成存在差异，但各反应器相同环境都选择同样的核心微生物类群，表明相似设计和操作设置的生物反应器会有相似的功能。本研究对微生物群落结果的解析，可以为进一步了解和优化这些生物反应器的整体功能提供支持。
参考文献：
Aalto S.L., Suurnakki S., et al. Microbial communities in full-scale woodchip bioreactors treating aquaculture effluents. Journal of Environmental Management 2022; 301: 113852. doi: 10.1016/j.jenvman.2021.113852
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