微生物生态网络与宏基因组学揭示厌氧氨氧化（Anammox）系统对氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）响应的自我调节机制

推荐 为探究 CuO NPs 对 Anammox 系统的影响，研究人员结合微生物网络构建、宏基因组学及分箱分析展开研究。发现添加 1 mg/L CuO NPs 后脱氮效率先波动后稳定，AnAOB 与 Chloroflexi 间合作关联从 0% 升至 75%，揭示其互作维持系统平衡，为优化废水处理提供依据。

　　

论文解读

在污水处理领域，厌氧氨氧化（Anammox）作为一种环境友好的低碳生物脱氮技术，正受到广泛关注。然而，随着纳米材料在工业中的大量应用，氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）因其催化和抗菌特性被广泛使用，随之而来的是其在污水中浓度可达 1 mg/L，甚至在工业废水中更高。CuO NPs 凭借小尺寸和难降解性，对水生环境造成污染，其产生的过量活性氧会导致 DNA 和细胞器损伤，对藻类、真菌和细菌均表现出生物毒性。此前研究表明，长期暴露于 1 mg/L CuO NPs 会使序批式反应器中特定厌氧氨氧化活性（SAA）从 2.76 NH₄⁺-N/(gVSS?h) 显著降至 0.13 mg NH₄⁺-N/(gVSS?h)，厌氧氨氧化菌（AnAOB）丰度从 7.99% 降至 2.57%，50 mg/L CuO NPs 更会严重抑制膜生物反应器的系统性能。可见，CuO NPs 的排放可能通过降低微生物活性和污染物去除效率对生物处理系统产生负面影响。而微生物相互作用和代谢交叉喂养是影响代谢活动的关键因素，但针对 CuO NPs 胁迫下厌氧氨氧化系统中微生物网络和代谢相互作用的研究却较少。在此背景下，为明确 Anammox 系统在环境相关浓度 1 mg/L CuO NPs 下的自我调节机制，相关研究人员开展了深入研究，该研究成果发表在《Bioresource Technology》。

为开展研究，研究人员主要采用了 16S rRNA 测序、宏基因组测序、微生物生态网络分析和分箱分析等技术方法。实验使用 500 mL 升流式厌氧污泥床（UASB）反应器，接种 200 mL 成熟厌氧氨氧化污泥并在 35℃下运行，进水含 100 mg/L NH₄⁺-N、132 mg/L NO₂^–-N，氮负荷率（NLR）为 5.35±0.07 kg N/(m³?d)，每两天检测出水 NH₄⁺-N、NO₂^–-N 和 NO₃^–-N。

系统性能

研究探讨了 CuO NPs 对 Anammox 系统性能的影响。在阶段 A，出水 NH₄⁺-N 和 NO₂^–-N 平均去除效率均为 97%。添加 CuO NPs 后系统性能显著波动，第 66 天 NH₄⁺-N、NO₂^–-N 和总氮（TN）去除效率分别降至 88%、74% 和 71%，但第 100 天逐渐恢复至 96%、99% 和 87%，表明系统性能恢复到初始状态。

微生物网络分析

网络分析显示，添加 1 mg/L CuO NPs 后，厌氧氨氧化菌（AnAOB，包括 Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Jettenia 和 Candidatus_Brocadia）与绿弯菌门（Chloroflexi）之间的合作关联从 0% 显著增加至 75%，表明在 CuO NPs 胁迫下，这两类微生物之间的协同作用显著增强，对维持群落结构的生态平衡可能起到重要作用。

宏基因组和分箱分析

宏基因组和分箱分析阐明了 AnAOB 与 Chloroflexi 之间复杂的代谢相互作用，尤其在多糖、蛋白质和辅因子的生物合成方面。这表明两者通过代谢合作，可能在应对 CuO NPs 胁迫时相互支持，共同维持系统的功能稳定。

结论与讨论

本研究揭示了 Anammox 系统在 CuO NPs 胁迫下的自我调节机制。脱氮效率短暂波动后逐渐恢复稳定，微生物网络分析显示 Chloroflexi 与 AnAOB 之间的合作显著增加，宏基因组分析进一步表明 Chloroflexi 与 AnAOB 在多糖（PS）、蛋白质（PN）和辅因子合成中密切相关。因此，AnAOB 与 Chloroflexi 的协同作用是 Anammox 系统在 CuO NPs 胁迫下维持群落结构生态平衡的关键。该研究为深入理解 Anammox 系统对 CuO NPs 的微生物相互作用提供了有价值的见解，有助于优化废水处理策略，为应对含 CuO NPs 废水的处理提供了理论依据和新的思路。