环境科学  2017, Vol. 38 Issue (1): 238-246   PDF    
4种反应器中厌氧氨氧化菌完整梯烷脂的特异性
王晗1 , 方芳1 , 李凯1 , 邢晖1 , 郭劲松1,2 , 陈猷鹏2 , 曾前松1     
1. 重庆大学城市建设与环境工程学院, 重庆 400045;
2. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714
摘要: 完整梯烷脂是存在于厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化体膜上的一类特殊磷脂.分别从厌氧EGSB反应器、好氧SBR反应器、自养脱氮SBBR反应器、以及厌氧氨氧化EGSB反应器中提取了污泥样品中的磷脂混合物,利用高效液相色谱-电喷雾串联三重四级杆质谱法检测了污泥磷脂提取物中完整梯烷脂的种类,分析了完整梯烷脂的特异性,同时利用高通量测序技术测定了自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥中微生物的群落结构.完整梯烷脂的分析结果表明厌氧EGSB反应器和好氧SBR反应器的污泥磷脂提取物中未检测到完整梯烷脂,而自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了完整梯烷脂.自养脱氮SBBR反应器的污泥磷脂提取物中检测到了5种完整梯烷脂,厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了7种完整梯烷脂.高通量测序结果证实自养脱氮SBBR反应器含有Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属AnAOB,厌氧氨氧化EGSB反应器含有Candidatus Kuenenia属与Candidatus Jettenia属AnAOB.结果说明完整梯烷脂为厌氧氨氧化菌所特有的磷脂物质.
关键词: 厌氧氨氧化菌      完整梯烷脂      磷脂      高通量测序      反应器     
Specificity of Intact Ladderane Lipids in Anaerobic Ammonium Oxidizing Bacteria from Four Reactors
WANG Han1 , FANG Fang1 , LI Kai1 , XING Hui1 , GUO Jin-song1,2 , CHEN You-peng2 , ZENG Qian-song1     
1. College of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;
2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China
Abstract: Intact ladderane lipids are a special kind of phospholipids in the anammoxosome membrane of AnAOB.Phospholipid organic mixture was extracted respectively from four sludge samples in anaerobic EGSB reactor,aerobic SBR reactor,autotrophic nitrogen removal SBBR reactor and anaerobic ammonium oxidation EGSB reactor.Phospholipid extracts of sludge were detected by the HPLC-ESI-MS/MS method to determine the types of intact ladderane lipids,and the specificity of intact ladderane lipids was also analyzed,at the same time,the bacterial community structure of autotrophic nitrogen removal SBBR reactor and anaerobic ammonium oxidation EGSB reactor was determined by high-throughput sequencing technology.Analytical results of intact ladderane lipids showed that intact ladderane lipids were not detected from anaerobic EGSB reactor and aerobic SBR reactor,and were detected from autotrophic nitrogen removal SBBR reactor and anaerobic ammonium oxidation EGSB reactor.Five kinds of intact ladderane lipids were detected in the phospholipid extract of sludge from autotrophic nitrogen removal SBBR reactor,and seven kinds of intact ladderane lipids were detected in the phospholipid extract of sludge from anaerobic ammonium oxidation EGSB reactor.The results of high-throughput sequencing confirmed that the autotrophic nitrogen SBBR reactor contained AnAOB of the genera Candidatus Brocadia and Candidatus Jettenia,and the anaerobic ammonium oxidation EGSB reactor contained AnAOB of the genera Candidatus Kuenenia and Candidatus Jettenia.These results illustrated that intact ladderane lipids were the peculiar phospholipids in AnAOB.
Key words: AnAOB      intact ladderane lipids      phospholipid      high-throughput sequencing      reactor     

厌氧氨氧化工艺是近年来环境领域的一个研究热点,但厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidizing bacteria,AnAOB)尚未能纯培养阻碍了相关研究的深入. 近年来,传统研究方法与新技术的结合使研究的深入成为可能,如稳定同位素[1, 2]、 荧光原位杂交[3~5]、 定量PCR[6, 7]、 液质/气质联用[8, 9]等技术,其中液质/气质联用技术引起了新的关注.

2002年,Damsté等[8]首次利用液质/气质联用技术分析了AnAOB中厌氧氨氧化体的膜脂结构,发现并命名了一类在分子结构上存在楼梯状(3~5个线性连接的环丁烷)结构的脂质分子,称为梯烷脂(ladderane lipids). 他们进一步通过小分子荧光渗透实验以及分子模拟手段,指出该脂类赋予了厌氧氨氧化体膜极高的致密性,使其能够有效防止厌氧氨氧化反应的有毒中间产物——肼的扩散,保护细胞的其它部分免受危害.

梯烷脂由含“梯烷结构”的烷烃支链与甘油分子结合而成,甘油分子骨架有3个连接位点,分别称为sn-1、 sn-2、 sn-3; 其中sn-1和sn-2位点连接烷烃支链,sn-3位可与一个磷酸类极性首基结合; 若sn-3位失去极性首基,则被称为核心梯烷脂,含有极性首基则被称为完整梯烷脂[10]. 根据首基的不同,完整梯烷脂的极性首基又包括三大类,磷酸胆碱(phosphocholine,PC),磷酸乙醇胺(phosphoethanolamine,PE)和磷酸甘油(phosphoglycerol,PG)[10, 11]. 梯烷脂的发现为AnAOB的检测提供了新的思路[9]. 有研究表明[11~16],完整梯烷脂仅存在于存活的厌氧氨氧化菌中,AnAOB菌死亡后会迅速分解为核心梯烷脂,完整梯烷脂对存活的AnAOB生物量具有表征意义,因此对完整梯烷脂的检测可作为存活AnAOB的检测手段.

厌氧氨氧化工艺在生物脱氮领域的应用前景广阔,而对于厌氧氨氧化工艺反应器中AnAOB完整梯烷脂的研究则少见报道,反应器污泥中能否检测到完整梯烷脂,是否具有特异性等问题还有待进一步研究. 因此,根据常见反应器的类型(好氧、 厌氧)和微生物存在形态(活性污泥、 颗粒污泥、 生物膜污泥)以及厌氧氨氧化的可能发生条件,本研究选取了厌氧EGSB反应器、 好氧SBR反应器、 自养脱氮SBBR反应器、 厌氧氨氧化EGSB反应器这4种常见反应器,提取污泥中磷脂混合物,检测污泥磷脂提取物是否含有完整梯烷脂,并分析其特异性,并通过高通量测序技术对相关反应器污泥进行了微生物群落的测定. 三大类(PC、 PE、 PG)完整梯烷脂的检测方法各不相同,目前磷酸胆碱型(PC)完整梯烷脂的提取与检测方法相对完善,且其相对含量最高[11],因此本文以PC型完整梯烷脂为检测对象进行研究,以期为反应器中开展AnAOB完整梯烷脂的相关研究提供基础.

1 材料与方法 1.1 实验材料 1.1.1 试剂

正己烷、 异丙醇、 甲醇、 二氯甲烷均为色谱纯,购买于Fisher公司; 氨水(14.8 mol·L-1)为色谱纯,购买于天津市科密欧化学试剂有限公司; 甲酸为质谱纯,购买于Sigma-Aldrich公司; 磷酸盐缓冲液(500mL成品,无菌),购买于北京索莱宝科技有限公司; DNA提取试剂盒,购买于OMEGA公司.

1.1.2 仪器

高效液相色谱仪(Agilent 1200),三重四级杆质谱仪(Agilent 6410),冷冻干燥机(博医康FD-1-50),超声波细胞粉碎机(新芝SCIENTZⅡD),高速冷冻离心机(天美CT15RT),氮吹仪(艾普MD 200-1),FastPrep-1便携式匀浆器(MP Biomedicals),Quickchem 8500 S2流动注射分析系统(哈希),DRB200消解器(哈希),手持式水质多参数仪(YSI ProDSS).

1.2 样品采集 1.2.1 水质样品

每隔2d分别取厌氧EGSB反应器、 好氧SBR反应器,自养脱氮SBBR反应器及厌氧氨氧化EGSB反应器的进出水样品,分别测定其中TN、 NH4+-N、 NO2--N、 COD等指标,连续监测一个月.

1.2.2 污泥样品

分别从4种反应器中取湿污泥约5 g于50 mL玻璃离心管中,以5 000 r·min-1 的转速离心,去上清液后置于冷冻干燥机中干燥16~24h,备用.

1.3 样品提取 1.3.1 污泥样品总DNA的提取

取冷冻干燥后的自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥样品0.2 g,用FastPrep-1便携式匀浆器进行充分分散,分散后的污泥样品用Soil DNA Extract Kit(OMEGA)试剂盒提取污泥总DNA,用于微生物群落的测定.

1.3.2 污泥样品中磷脂混合物的提取

污泥样品中磷脂混合物的提取参考文献[17~23]的报道,主要包括超声、 离心、 分液、 氮吹这4个步骤,并在实际提取过程中对部分步骤进行了改进. ①向冷冻干燥后的污泥样品中依次加入10 mL甲醇、 5 mL二氯甲烷和4 mL磷酸盐缓冲液,使三者比例为2:1:0.8(体积比),用超声波细胞粉碎机进行冰浴超声破碎15min. ②再加入5 mL二氯甲烷和5 mL磷酸盐缓冲液,使甲醇、 二氯甲烷、 磷酸盐缓冲液比例为1:1:0.9(体积比),以5 000 r·min-1离心10min. ③将离心管中的液相转移至分液漏斗中,静置分液. 按①~③的步骤重复操作5次,将分液漏斗中的有机相液体收集于玻璃试管中. ④将玻璃试管于氮吹仪中浓缩,浓缩后溶解于1 mL正己烷与异丙醇比例为4:1(体积比)的有机溶剂,用0.45 μm有机滤膜过滤,置于-80℃冰箱中备用,用于PC型完整梯烷脂的测定.

1.4 分析测定 1.4.1 水质指标测定

采用Quickchem 8500 S2流动注射分析系统测定反应器水样的TN、 NH4+-N、 NO2--N等指标; 采用DRB200消解器与分光光度法测定反应器水样的COD; 采用手持式水质多参数仪测定各反应器中的DO、 pH、 温度等指标.

1.4.2 微生物群落测定

委托上海美吉生物医药科技公司对所提取污泥总DNA进行测定. 利用Illumina测序平台MiSeq PE250测序仪,以细菌338F/806R作为通用引物,测定自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器中污泥样品的微生物群落信息.

1.4.3 污泥磷脂提取物中PC型完整梯烷脂的测定

污泥磷脂提取物中PC型完整梯烷脂的检测方法参考文献[10, 11, 18, 19, 24]的报道,并在实际测定过程中进行了一定改动. 采用高效液相色谱-电喷雾串联三重四级杆质谱(HPLC-ESI-MS/MS)进行测定,所用色谱柱为二醇基色谱柱(岛津技迩,5020-05616)(250mm×2.1mm,5μm),设置柱温为30℃,进样量为20 μL. 采用两种组合溶剂构成的流动相进行梯度洗脱,其中A组合为:正己烷/异丙醇/甲酸/14.8 mol·L-1氨水(79:20:0.12:0.04,体积比),B组合为:异丙醇/超纯水/甲酸/14.8 mol·L-1氨水(88:10:0.12:0.04,体积比),流动相流速为0.25 mL·min-1. 梯度洗脱方案为:首先用100% A组合运行45 min; 然后更改为35% A组合+65% B组合运行,持续20 min; 最后再恢复为100% A组合用以重新平衡色谱柱,持续20 min. 质谱离子源为电喷雾电离源,选定分子量为184的磷酸胆碱作为母离子,采用正向母离子扫描模式,质荷比(m/z)检测范围为100~1 000. 该模式下检测分子均被施加一个正电荷,故质荷比即相对分子质量. 碰撞气体为N2,碰撞能量为35 V,气体温度为300℃.

测试后,采用Agilent Mass Hunter Workstations数据处理系统从总离子流色谱图中调取基于m/z为184母离子扫描的质量色谱图,再调取质量色谱图中每个色谱峰对应的质谱图. 对质谱图上检测到的每种物质进行质荷比(m/z)比对并明确每种物质相对分子质量,与已报道的PC型完整梯烷脂进行比对,相对分子质量一致即可判定.

1.5 数据处理

采用Agilent Mass Hunter Workstations(B.03.01)数据处理系统,Microsoft Office Excel (2013),Microsoft Office Word (2013)等软件处理数据.

2 结果与分析 2.1 反应器状况

各反应器运行状况如表 1所示. 其中各项水质指标均为反应器运行稳定后,连续1个月内监测值的均值. 从中可知,虽然4种反应器的功能和定位均不相同,但运行性能良好.

表 1 各反应器状况1) Table 1 Status of each reactor

厌氧EGSB反应器用于探索常温下处理低浓度有机废水的可行性,其作用是去除废水中的COD,表 1显示反应器对COD去除率高达89.0%~93.6%; 该反应器进水仅存在低浓度氨氮,反应器内部很难具有AnAOB存在的条件,因此该反应器中不含有AnAOB. 好氧SBR反应器作用也是去除废水中的COD,对COD去除率达到78.9%~92.1%,其溶解氧水平处于4.0 mg·L-1左右,此浓度下AnAOB很难生存,因此该反应器中也不含有AnAOB. 自养脱氮SBBR反应器作用是去除废水中的氨氮,在DO为0.2~2.0mg·L-1的限氧条件下运行. 该反应器初始氮素为氨氮(约200 mg·L-1),氨氮和总氮去除率分别大于90.0%和80.0%,且运行效果良好,氮素去除主要包括氨氧化和厌氧氨氧化两个过程,因此该反应器中存在AnAOB. 厌氧氨氧化EGSB反应器的作用是通过厌氧氨氧化作用去除废水中的氨氮和亚硝氮,反应器厌氧环境赋予了AnAOB良好的生存条件,且较高的上升流速也利于颗粒污泥的形成与稳定; 该反应器的初始氮源为氨氮和亚硝氮两种,出水氨氮和亚硝氮水平均较低,氨氮和亚硝氮去除率分别大于90.0%和95.0%,说明反应器脱氮性能优异,所以该反应器中存在AnAOB.

2.2 微生物群落结构

根据2.1节的分析,推测自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器中存在AnAOB,故对两反应器中污泥的微生物群落结构进行了测定,图 1图 2分别为属水平上两反应器污泥微生物的群落结构.

图 1 属水平自养脱氮SBBR反应器微生物群落结构 Fig. 1 Bacterial community structure of autotrophic nitrogen removal SBBR reactor on genus level

图 2 属水平厌氧氨氧化EGSB反应器微生物群落结构 Fig. 2 Bacterial community structure of anaerobic ammonium oxidation EGSB reactor on genus level

图 1图 2可知,自养脱氮SBBR反应器和EGSB反应器中均检测到了AnAOB,其中自养脱氮SBBR反应器中检测到了Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属,厌氧氨氧化EGSB反应器中检测到了Candidatus Jettenia属和Cadidatus Kuenenia属.

自养脱氮SBBR反应器污泥中鉴定出了21个相对丰度>1%的属,如图 1所示. 其中跟氮素转化相关的主要有厌氧氨氧化微生物、 硝化作用微生物、 亚硝化作用微生物. 厌氧氨氧化微生物为AnAOB,包括Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属,Candidatus Brocadia属相对丰度较高,达到了11.2%,为AnAOB的优势属. 硝化作用微生物主要是硝化螺旋菌属(Nitrospira),其相对丰度达到了7.9%. 亚硝化作用的微生物主要是变形菌门的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和亚硝化单胞菌科不可纯培养属(Nitrosomonadaceae uncultured),二者相对丰度分别达到了4.1%和1.8%. 此外,反应器中还存在一些归属于绿弯菌门、 芽单胞菌门、 拟杆菌门、 酸杆菌门等菌门的微生物种属,多常见于污水生物处理系统及土壤生态系统中,大部分种属的功能并不明确,其中归属于绿弯菌门的微生物功能较明确,主要具有污泥消化及微生物残体降解的功能[25].

厌氧氨氧化EGSB反应器污泥中鉴定出的种属种类较少,如图 2所示. AnAOB包括Candidatus Kuenenia属与Candidatus Jettenia,其中Candidatus Jettenia属相对丰度较高,高达55.8%,为AnAOB的优势属. 变形菌门的γ-Protebacteria unclassified的相对丰度为7.2%,该属多涉及氨氧化作用,说明厌氧氨氧化EGSB反应器进水中存在微量溶解氧. 反应器中不可避免地存在死亡微生物,属于绿弯菌门的不可培养厌氧绳菌属(Anaerolineaceae uncultured)的相对丰度为8.26%,而该属多与细胞残体降解相关[26],可能承担此功能. SM1A02属和Phycisphaeracea unclassified属与AnAOB同属于浮霉状菌门,二者是否具有厌氧氨氧化活性还有待研究.

2.3 污泥磷脂提取物中PC型完整梯烷脂分析 2.3.1 液相色谱分析

由于污泥磷脂提取物成分复杂,因此用液相色谱仪对提取物进行了初分离,所采用的二醇基色谱柱和优化后的流动相,可较好地实现对极性及分子量差异较小的几种PC型完整梯烷脂的分离.

图 3为各反应器污泥磷脂提取物基于m/z 为184母离子扫描的质量色谱图.

图 3 各反应器污泥磷脂提取物基于质荷比184母离子扫描的质量色谱图 Fig. 3 Mass chromatogram of phospholipid extract from sludge in each reactor based on m/z 184 precursor ion scan

图 3可知,厌氧EGSB反应器和好氧SBR反应器以及自养脱氮SBBR反应器污泥磷脂提取物的质量色谱图中有2~3个色谱峰,且出峰时间基本一致且峰形类似. 厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物的质量色谱图中有4个色谱峰,且整体出峰时间较前3种反应器均提前,表明厌氧氨氧化EGSB反应器磷脂提取物与前3种反应器污泥磷脂提取物组分差异较大.

2.3.2 质谱分析

PC型完整梯烷脂种类较多[10, 11],且一些完整梯烷脂分子量和极性差异极小,通过高效液相色谱仪不能把每种完整梯烷脂完全分离,质量色谱图中单个色谱峰也仅代表一些分子量和极性接近的物质,并不代表单种物质,需要进一步分析对应的质谱图.

(1) 厌氧EGSB反应器污泥

图 4为厌氧EGSB反应器污泥磷脂提取物的质量色谱峰对应的质谱图,其中(a)、 (b)分别对应图 3(a)中的色谱峰A、 峰B.

图 4 厌氧EGSB反应器污泥磷脂提取物质量色谱峰对应的质谱图 Fig. 4 Mass spectra corresponding to the peaks of mass chromatogram in phospholipid extract of anaerobic EGSB reactor

图 4可知,厌氧EGSB反应器污泥磷脂提取物质量色谱峰A中丰度最高的是m/z为787的物质,m/z为722和760的物质丰度次之,另外还含有低丰度的m/z为708、 736和748的物质,峰B中主要含有m/z为523的物质. 与已报道文献[10, 11]的比对可知,峰A、 峰B中所含物质均非PC型完整梯烷脂.

(2) 好氧SBR反应器活性污泥

图 5为好氧SBR反应器污泥磷脂提取物的质量色谱峰对应的质谱图,其中(a)、 (b)、 (c)分别对应图 3(b)中的色谱峰A、 峰B、 峰C.

图 5 好氧SBR反应器污泥磷脂提取物质量色谱峰对应的质谱图 Fig. 5 Mass spectra corresponding to the peaks of mass chromatogram in phospholipid extract of aerobic SBR reactor

图 5可知,好氧SBR反应器污泥磷脂提取物的质量色谱峰A中丰度最高的是 m/z为732的物质,m/z为730、 760和787的物质丰度次之; 此外,还含有一些低丰度的m/z为720、 746和762的物质. 峰B中丰度最高的是m/z为523的物质. 峰C中丰度最高是m/z为495的物质. 与已报道文献[10, 11]的比对可知,色谱峰A、 峰B、 峰C中所含物质均不是PC型完整梯烷脂.

(3) 自养脱氮SBBR反应器生物膜污泥

图 6为自养脱氮SBBR反应器污泥磷脂提取物的质量色谱峰对应的质谱图,其中(a)、 (b)分别对应图 3(c)中的色谱峰A、 峰B.

图 6 自养脱氮SBBR反应器污泥磷脂提取物质量色谱峰对应的质谱图 Fig. 6 Mass spectra corresponding to the peaks of mass chromatogram in phospholipid extract of autotrophic nitrogen removal SBBR reactor

图 6可知,自养脱氮SBBR反应器污泥磷脂提取物的质量色谱峰A中丰度最高的是m/z为816的物质,m/z为742、 750、 764、 788、 804和818的物质丰度也比较高,另外还含有一些低丰度的m/z为748、 778和784的物质. 峰B中丰度最高的是m/z为530的物质,以及少量低丰度的物质. 与已报道文献[10, 11]的比对可知,峰A中含有PC型完整梯烷脂,主要是m/z为742、 816、 788的3种. 峰B中也含有PC型完整梯烷脂,主要是m/z为530的完整梯烷脂.

(4) 厌氧氨氧化EGSB反应器

图 7为厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物的质量色谱峰对应的质谱图,其中(a)、 (b)、 (c)、 (d)分别对应图 3(d)中的色谱峰A、 峰B、 峰C、 峰D.

图 7 厌氧氨氧化EGSB颗粒污泥提取物质量色谱峰对应的质谱图 Fig. 7 Mass spectra corresponding to the peaks of mass chromatogram in phospholipid extract of anaerobic ammonium oxidation EGSB reactor

图 7可知,厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物的质量色谱峰A中丰度最高的是m/z 为844的物质,还含有一些低丰度的m/z为830、 842和858的物质; 峰B中丰度最高的是m/z为842的物质,m/z为750、 816、 829和844的物质丰度次之,另外还有低丰度的m/z为814的物质; 峰C中丰度最高是m/z为742、 748和784的物质,m/z为762、 770、 774、 776、 788和816的物质丰度次之; 峰D中丰度最高的是m/z为530的物质. 与已报道文献[10, 11]的比对可知,峰A中所含物质均不属于完整梯烷脂; 峰B中含有完整梯烷脂,主要包括 m/z为816和814的两种; 峰C中含有PC型完整梯烷脂,主要包括m/z 为742、 774、 788、 816的4种; 峰D中也含有PC型完整梯烷脂,主要为m/z为530的一种.

3 讨论

表 2为4种反应器污泥磷脂提取物中PC型完整梯烷脂检测结果汇总表,表 3为文献[10, 11]中部分PC型完整梯烷脂种类与AnAOB属的对应关系表.

表 2 4种反应器污泥磷脂提取物中PC型完整梯烷脂检测结果汇总1) Table 2 Summary of test results of intact ladderane phosphatidylcholine (PC) lipids in sludge extract of four reactor

表 3 文献[10, 11]中部分PC型完整梯烷脂种类与AnAOB属的对应关系1) Table 3 Corresponding relation reported in the literature [10, 11] between some kinds of intact ladderane phosphatidylcholine (PC) lipids and genera of AnAOB

表 2所示,自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物中均检测到了若干种完整梯烷脂,而厌氧EGSB反应器和好氧SBR反应器污泥磷脂提取物中均未检测到完整梯烷脂; 该结果与前述对各反应器中是否含有AnAOB的分析一致,也表明完整梯烷脂仅存在于AnAOB中.

根据文献[10, 11],完整梯烷脂命名按照罗马数字和小写字母组合的方式表示,PC型完整梯烷脂又可细分为三类,分别用罗马数字Ⅱ、 Ⅳ、 Ⅴ表示; 连接支链共有17种,分别用a~q表示. 各类区别在于sn-1位连接键和连接支链的不同,当sn-1位仅连接一个氢时,称为Ⅱ类(仅1种),当通过醚键与支链a~q连接时称为Ⅳ类(共17种),当通过脂键与支链a~q连接时称为Ⅴ类(共17种),共计35种.

通过表 2表 3对比可知,在自养脱氮SBBR反应器污泥磷脂提取物中共检测到5种主要完整梯烷脂,分别为Ⅱ、 Ⅳg、 Ⅳf、 Ⅴa、 Ⅴc; 厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物中共检测到7种主要完整梯烷脂,分别为Ⅱ、 Ⅳg、 Ⅳf、 Ⅳc、 Ⅴa、 Ⅴb、 Ⅴc; 其中,Ⅱ、 Ⅳg、 Ⅳf、 Ⅴa、 Ⅴc这5种完整梯烷脂为两反应器污泥磷脂提取物种共有,而Ⅴb(m/z 814)和Ⅳc(m/z 774)这2种完整梯烷脂则仅在厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物中被检测到.

完整梯烷脂Ⅱ是最简单的一种PC型完整梯烷脂,已有报道表明该种完整梯烷脂可以较好地表征反应器中AnAOB的存活量[24]. Jaeschke等[17]关于爱尔兰海深层沉积物中厌氧氨氧化的研究表明,PC型完整梯烷脂Ⅱ的浓度与厌氧氨氧化活性呈正相关,适合作为AnAOB的指示物. Brandsma等[19]结合FISH和qPCR手段发现,瑞典Gullmar 海湾沉积物中完整梯烷脂Ⅱ的相对丰度与AnAOB的丰度以及厌氧氨氧化活性呈正相关. 由表 2表 3可知,自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物中均检测到了完整梯烷脂Ⅱ.

AnAOB共有5个属,即Candidatus Anammoxoglobus、 Candidatus Brocadia、 Candidatus Kuenenia、 Candidatus Scalindua、 Candidatus Jettenia,其中前4个属中所含PC型完整梯烷脂种类的信息已经报道,而Candidatus Jettenia属中所含PC型完整梯烷脂种类的信息尚未见报道. 已有研究表明[10, 11],通常多数种类的完整梯烷脂是多个AnAOB属所共有的,而某些完整梯烷脂则不存在于某个AnAOB的属中. 如表 3所示,PC型完整梯烷脂Ⅳc不存在于Candidatus Brocadia属中,完整梯烷脂Ⅴc不存在于Candidatus Kuenenia属中,完整梯烷脂Ⅱ不存在于Candidatus Scalindua属中.

结合图 1图 2表 2表 3可知,自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器中实际所含种属与检测到的完整梯烷脂种类并不能很好地对应,存在一定差异. 例如,厌氧氨氧化EGSB反应器中含有Candidatus Kuenenia属AnAOB,该属不含有PC型完整梯烷脂Ⅴc,但却检测出了该种完整梯烷脂; 这可能是因为与Candidatus Jettenia属共存的结果,且 Candidatus Jettenia属丰度较高,该属可能含有完整梯烷脂Ⅴc,因此被检出. 自养脱氮SBBR反应器中含有Candidatus Brocadia属AnAOB,PC型完整梯烷脂Ⅴb应该被检测出,但却未检测出. 这可能是因为环境因素差异所导致的,完整梯烷脂的种类不仅在AnAOB不同属上存在差异,同一属在不同环境因素影响下也会出现变化. 同一属的AnAOB在外界环境变化时,其厌氧氨氧化体膜脂结构中完整梯烷脂含量和种类也可能会发生变化. 已有研究中关于环境因素与完整梯烷脂之间关系的讨论较少,可能的环境因素主要包括氧气[17]、 营养盐[24]、 温度[27]等,本研究中自养脱氮SBBR反应器与厌氧氨氧化EGSB反应器在这几方面均存在差异. 自养脱氮SBBR反应器处于0.2~2.0 mg·L-1的限氧水平,而EGSB则要求厌氧条件; 自养脱氮SBBR反应器进水为氨氮废水,而厌氧氨氧化EGSB反应器进水为氨氮和亚硝氮废水; 另外,自养脱氮SBBR反应器温度也略低于厌氧氨氧化EGSB反应器,因此这些差异均可能对完整梯烷脂造成影响.

此外,本研究未对某些丰度极低的完整梯烷脂进行比对分析,检测出的PC型完整梯烷脂种类远少于35种,也可能是出现上述差异的原因,有待进一步研究.

4 结论

(1) 对厌氧EGSB反应器、 好氧SBR反应器、 自养脱氮SBBR反应器、 以及厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物中PC型完整梯烷脂特异性的研究结果表明,仅在自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物中检测到了PC型完整梯烷脂. 实验结果与各反应器的运行状况相符,说明完整梯烷脂为AnAOB特有的磷脂物质.

(2) 高通量测序结果表明,自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器中均含有AnAOB. 自养脱氮SBBR反应器含有Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属AnAOB,厌氧氨氧化EGSB反应器含有Candidatus Kuenenia属与Candidatus Jettenia属AnAOB. 自养脱氮SBBR反应器污泥磷脂提取物中检测到了Ⅱ、 Ⅳg、 Ⅳf、 Ⅴa、 Ⅴc 这5种PC型完整梯烷脂,厌氧氨氧化EGSB反应器污泥磷脂提取物中检测到了Ⅱ、 Ⅳg、 Ⅳf、 Ⅳc、 Ⅴa、 Ⅴb、 Ⅴc这7种PC型完整梯烷脂,两反应器中检测到的PC型完整梯烷脂种类与所检测出的属存在一定对应关系.

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