【派森诺项目文章】碉堡！vs纳米铜，厌氧氨氧化微生物又来搞事情！
发表期刊
《Bioresource Technology》
影响因子
5.651
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最近，派森诺生物与杭州师范大学合作，在《Bioresource Technology》（最新影响因子:5.651）发表文章，探究纳米铜胁迫对厌氧氨氧化过程的长期影响。
研究背景
自二十世纪末以来，纳米技术取得了突飞猛进的发展。目前，工程纳米粒子（NPs）已被广泛应用于诸多消费品和工业领域。例如，纳米铜因其优良的导热、导电以及杀菌性能在燃烧活性剂、纺织品、木材防腐产品等存在巨大价值。然而，在生产、储存和使用它的过程中，不可避免地会向环境中排放。因此，纳米金属污染的环境风险已成为公众关注焦点和研究热点。
厌氧氨氧化作用即在厌氧（准确地说是缺氧，因为有亚硝酸盐）条件下由厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化为氮气的生物反应过程。厌氧氨氧化过程是目前最方便的生物脱氮过程，因此被誉为最具前景的污水脱氮工艺。然而，纳米金属对于厌氧氨氧化过程的影响尚不可知，本研究选择纳米铜作为研究模型，探究不同浓度纳米铜胁迫对厌氧氨氧化过程的长期影响。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组16S rRNA基因V4区测序
样本来源：污泥样本
实验设计：首先，对厌氧氨氧化反应器的脱氮性能进行评估，并在随后对其增加0.5 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L不同浓度的纳米铜胁迫进行脱氮性能及恢复力评估。另外，利用高通量测序技术分析不同时期微生物群落的动态变化。最后，通过RDA冗余分析和Pearson相关性分析，对试验指标与微生物群落的关系进行了评价。
研究结果
3.1 脱氮性能研究
在反应器中成功接种厌氧氨氧化颗粒后，反应器成功启动，并显示了良好的脱氮效率；随后在实验的31天加入纳米铜进行胁迫反应，但从0.5 mg/L到1.0 mg/L浓度变化来看，并没有显著影响厌氧氨氧化过程；直到将纳米铜浓度增加到5.0 mg/L后，反应器的脱氮性能随着时间变化迅速恶化，在第72天，反应器中的NH4+-N与NO2—N迅速增加，脱氮效率急剧降低；而在除铜恢复过程中，厌氧氨氧化反应器的脱氮性能逐渐恢复
3.2 微生物群落组成与多样性研究
用于检测微生物多样性菌落的样本分别采集于30、60、90、170天，从分析数据结果可以看出，菌群丰富度指数与多样性指数均随着纳米铜含量的不断提高而增加；随着纳米铜浓度增加到5.0 mg/L，Proteobacteria, Planctomycetes, WS6, OD1与 NKB19相对丰度降低，Acidobacteria, [Thermi], Bacteroidetes, BRC1, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes与FBP相对丰度增加，而Armatimonadetes, Actinobacteria, OP11与 Firmicutes相对丰度在纳米铜浓度低于1.0 mg/L是呈增加趋势，但随着浓度增加至5.0 mg/L时呈减少趋势
3.3 功能性物种与代谢网络差异研究
厌氧氨氧化功能物种Brocadiaceae丰度在纳米铜的浓度升至5.0 mg/L时，其相对丰度由29.56%降至17.53%，并在恢复期中丰度重新增长至23.37%；同时RDA分析结果，揭示了反应器在30、60、90、170天的菌群结构与环境因子间的作用情况，从菌群结构来看，当纳米铜浓度增加至1.0 mg/L时，菌群结构稍有变化，但当浓度增至5.0 mg/L时，菌群结构变化随之扩大，虽然170天时，反应器脱氮效果已经基本恢复，但菌群结构已经发生显著变化，综上可以看出纳米铜对厌氧氨氧化过程的影响之大；
3.4 Cu相关代谢功能预测分析
基于PICRUSt软件预测菌群代谢功能预测，从分析结果中找到与铜相关基因，并用STAMP软件分别分析反应器30天与90天区别以及30天与170天区别；从结果可以看出，当纳米铜浓度增加至5.0 mg/L浓度时，反应器中与铜抗性相关的基因表达显著上调；虽然在170天时，反应器的脱氮能力完全恢复，但其大部分的铜抗性蛋白仍处于高表达状态
3.5 Pearson相关性分析纳米铜对脱氮性能影响
Pearson相关性分析揭示纳米铜对脱氮性能的影响，图中红色区域表示两个因子之前呈正相关，蓝色区域呈负相关，其中，Inf.CuNPs与Kuenenia呈负相关趋势，Eff.NO3与NRR呈负相关趋势，但与Eff. NH4、Eff.N2H4呈正相关趋势，这些均与RDA分析结果相吻合；另外Inf.CuNPs与抗铜基因CusABCF、CusSR、CopBZ、PcoBCD均呈正相关关系，表明随着纳米铜浓度逐渐增加，其抗铜机制也在不断增强。
研究结论
厌氧氨氧化反应器的脱氮能力在5.0 mg/L的纳米铜含量胁迫作用下的30天里几乎被完全剥夺，同时厌氧氨氧化细菌Ca. Kuenenia的含量从29.59%降低到17.53%；在恢复期中，与抗铜机制相关的Cus、Cop与Pco系统却显著富集，消除多余的胞内铜；而厌氧氨氧化的脱氮能力也在铜的不断流逝中完全恢复；这充分表明了厌氧氨氧化微生物在纳米铜胁迫下具有的高敏感性、抗性以及恢复能力；因此，纳米金属对于厌氧氨氧化微生物的潜在影响更加值得我们去关注。
参考文献
Zhang Z Z, Hu H Y, Xu J J, et al. Susceptibility, resistance and resilience of anammox biomass to nanoscale copper stress.[J]. Bioresource Technology, 2017, 241:35.
文案 微生物组事业部
派森诺生物
上海派森诺生物科技股份有限公司成立于2011年4月，总部坐落于上海市徐汇区聚科生物园区。派森诺生物是一家从事基因测序相关领域的科学研究与医学检测服务的高新技术企业，公司下设两家全资子公司：上海桑尼生物科技有限公司和上海派森诺医学检验所有限公司，经过多年的发展，公司已搭建了一代、二代、三代最完善的测序平台及生物信息分析平台，为客户提供包括高通量基因测序、临床医学基因检测、生物信息学服务、生物云计算、分子生物学实验、DNA合成等在内的一站式、全方位服务和系统解决方案。公司组建了国内一流水平的技术、研发、信息分析和管理团队，致力于成为国内领先的基因测序技术服务企业。
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