基于宏基因组学和宏转录组学研究纳米材料对活性污泥微生物群落及功能的影响

At present, there exist only few studies examining the impacts of nanomaterials on microbial communities in activated sludge. Also, to our knowledge, there have been no reports concerning the effects of nanomaterial on functional genes (involving carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur cycles, antibiotic resistance, metal resistance, organic contaminant degradation and energy metabolism) and the network interactions of functional genes in activated sludge. Furthermore, nanomaterial effects on metabolic pathways still remain obscure. In this study, Illumina and GeoChip-based metagenomic and metatranscriptomic will be used to examine the impacts of nanomaterial on microbial communities and functions in activated sludge systems. The major contents of the study include the following four parts: investigating the effects of nanomaterials on the removal efficiency of nitrogen, phosphorus and organic matter in activated sludge systems; examining the impacts of nanomaterial on microbial community structure; revealing the effects of nanomaterials on the functional genes and their interaction network; analyzing the effects of nanomaterials on the metabolic pathways of activated sludge microorganisms. The objectives of this study are to deeply understand the influence mechanisms of nanomaterials on activated sludge system and to provide important scientific guidance for the stable operation of wastewater treatment systems.

目前关于纳米材料对活性污泥系统中微生物群落结构影响的研究很少，纳米材料对活性污泥微生物功能基因多样性（包括与碳、氮、磷、硫循环，抗生素抗性，金属抗性，有机污染物降解和能量传递等相关的功能基因）及其相互作用网络的影响还未见报道。此外，关于纳米材料对微生物代谢途径的影响亦未见报道。本研究将采用基于高通量Illumina测序及基因芯片GeoChip的宏基因组学及宏转录组学技术，研究典型纳米材料对活性污泥微生物群落结构及功能的影响。主要研究内容包括：检测典型纳米材料对活性污泥处理系统脱氮除磷及有机物去除效果的影响；识别纳米材料对活性污泥微生物群落结构的影响；揭示纳米材料对活性污泥微生物功能基因及其相互作用网络的影响；分析纳米材料对活性污泥微生物代谢途径及基因表达水平的影响。以期深入理解纳米材料对活性污泥系统的影响机理，为污水处理系统的稳定高效运行提供科学的理论依据。

目前关于纳米材料对活性污泥系统中微生物群落结构影响的研究很少，纳米材料对活性污泥微生物相互作用网络的影响还未见报道。本研究将采用基于高通量Illumina测序的宏基因组学等技术，研究了MWCNTs，纳米CuO及纳米CeO2对活性污泥微生物群落结构及功能的影响。主要研究结果如下：（1）1和20 mg·L-1的MWCNTs短期作用对污水处理效果并未产生影响。1和20 mg·L-1的MWCNTs长期作用均明显抑制了活性污泥生物除磷效果。1和20 mg·L-1的MWCNTs均降低了活性污泥中的生物多样性，且20 mg·L-1的抑制作用高于1 mg·L-1。（2）1 mg/L CuO NPs长时间暴露导致了系统氨氮及TP出水增高，这与系统中AMO，NOR，PPX及PPK酶活性降低相一致。CuO纳米颗粒显著降低了活性污泥系统中细菌的多样性并对细菌群落结构有显著影响。系统中一些与脱氮除磷相关的微生物，如Nitrosomonas，Acinetobacter和Pseudomonas也显著降低。此外，CuO纳米颗粒显著改变了系统中微生物群落的分子生态网络，如在CuO系统中，β-Proteobacteria的分子生态生态网络与对照系统相比，更加简单。CuO NPs系统中脱氮除磷菌的降低以及分子生态网络的改变有可能一起导致了系统脱氮除磷效果的恶化。（3）1及10mg/L CeO2纳米颗粒长期暴露后，对活性污泥系统的硝化及除磷产出了显著影响。微生物群落结构研究表明，CeO2纳米颗粒的长期作用对活性污泥群落多样性没有造成明显影响。但CeO2 纳米颗粒长期作用使Proteobacteria丰度降低，Actinobacteria和Planctomycetes丰度上升，且上升和下降的程度与CeO2纳米颗粒浓度呈正相关。