联合冲击负荷对短程硝化菌群转录活性和代谢网络的调控研究

Short-cut nitrification is the emerging technology for biological nitrogen removal, and can be easily disturbed under shock loads, which prevents its wide application. Further analysis on the bacterial community of short-cut nitrification can be helpful to enhance the stability of nitrogen removal system. Nowadays, the works about the bacterial community of short-cut nitrification focus on the genetic level under single shock load at home and abroad. This study will carry out the research of microbial molecular ecology on the transcriptional level by quantitative PCR and high-throughput sequencing. Regulation on the abundance and diversity of transcriptional active community will be illustrated under combined shock loads, such as nano-TiO2 and antibiotic. The stress effects of bacterial dormancy will be predicted according to the relationship between genetic level and transcriptional level. The metagenomic analysis will be used to study the change of metabolic network during short-cut nitrification on transcriptional level under combined shock loads, choosing central metabolic genes，nitrogen removing genes and resistance genes as the key points. This work can provide a theoretical basis for the practical engineering applications.

短程硝化是污水生物脱氮领域的新兴技术，抗冲击负荷不足的问题严重影响其广泛应用。对短程硝化菌群的深度解析有助于提升系统的稳定性。目前国内外研究集中于单一负荷下短程硝化菌群基因水平的分析。本项目从转录水平开展研究，内容包括：（1）采用高通量测序、定量PCR等技术，分析纳米二氧化钛对抗生素毒性的影响程度，阐明联合冲击负荷对短程硝化系统代谢能力、脱氮微生物转录活性和菌群结构的调控作用，比较转录水平与基因水平间的差异，解析功能菌群受迫沉默的应激效应；（2）采用宏基因组分析技术，表征不同冲击负荷下基于转录水平的代谢网络差异，重点考察中央代谢途径相关基因、脱氮代谢关键基因和抗性基因的表达量受联合冲击负荷影响的变化规律。分析系统代谢能力、功能菌群结构与转录代谢网络的耦联关系，揭示污水处理反应器内的微生物群体效应及其对联合冲击负荷的响应机制，为短程硝化更广泛的工程应用提供理论依据和技术支持。

短程硝化是污水生物脱氮领域的新兴技术，抗冲击负荷不足的问题严重影响其广泛应用。对短程硝化菌群的深度解析有助于提升系统的稳定性。目前国内外研究集中于单一负荷下短程硝化菌群基因水平的分析。.本项目首次证实了纳米TiO2和四环素、红霉素等不同抗生素组成的联合冲击负荷对活性污泥短程硝化系统的调控作用。纳米TiO2作为单一冲击负荷时，对系统没有直接的冲击作用.但纳米TiO2和四环素、红霉素等抗生素联合使用时毒性均强于单独使用该种抗生素，产生了协同作用的效果.其中，联合冲击负荷对亚硝酸盐氧化作用的抑制大于氨氧化作用。.纳米TiO2与抗生素组成的联合冲击负荷对短程硝化菌群结构也有明显的调控作用。实现冲击后，优势门未发生变化，优势属中的脱氮菌Nitrosospira也得到保持。联合冲击负荷与高氨氮驯化均可以提高菌群多样性，但后者作用效果更强。纳米TiO2单独作用并不改变菌群结构，四环素独立冲击使菌群多样性升高，红霉素独立冲击则使菌群多样性降低。.宏基因组分析着重关注中央代谢途径，包括生物过程、细胞组分、分子功能三类相关基因，确定两种抗生素冲击均会削弱大部分中央代谢基因，而联合冲击负荷时削弱作用会呈现为“1+1>2”。脱氮代谢关键基因amoA、nxrB的表达量与AOB、NOB丰度呈正相关（p<0.01），体现短程硝化代谢能力、脱氮菌群丰度和代谢关键基因表达存在显著耦联关系。.本研究揭示了污水处理反应器内的微生物群体效应及其对联合冲击负荷的响应机制，为短程硝化更广泛的工程应用提供理论依据和技术支持。