N을 이용한 아나목스 종분화 및 생물막 부착 전략 제어

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21720(2022) 이 기사 인용

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폐수 처리 시 기존의 질소 제거에는 높은 산소 및 에너지 투입이 필요합니다. 암모늄과 아질산염을 질소 가스로 단일 단계로 변환하는 혐기성 암모늄 산화(anammox)는 부류 폐수 처리에 광범위하게 적용되는 에너지 및 비용 효율적인 대안입니다. 종의 다양성과 생리학이 더 잘 이해된다면 이는 주류 치료 옵션이 될 것입니다. Anammox 박테리아는 단계적 아질산염 및 암모니아 농도 증가(R1), 산화질소 보충(R2) 또는 복합 유기 탄소를 사용하는 표준 농축 조건 하에서 단일 접종으로부터 최대 80%, 90% 및 50% 상대 풍부도까지 농축되었습니다. 주류 폐수 (R3)에서 각각. Candidatus Brocadia caroliniensis는 모든 반응기에서 우세했지만 Ca 쪽으로 이동했습니다. Brocadia sinica는 각각 270mg NH4-NL−1 및 340mg NO2-NL−1 이상의 암모늄 및 아질산염 농도에서 발생했습니다. NO가 존재하면 종속 영양 성장이 억제되었고 Ca. Jettenia는 Ca와 공존했습니다. B. caroliniensis는 아질산염이 160 mg NO2–NL−1로 증가함에 따라 감소하기 전입니다. 유기 탄소 보충으로 인해 Ca와 함께 진화한 종속 영양 공동체가 출현했습니다. B. 카롤리엔시스. 캘리포니아. B. 카롤리엔시스 및 Ca. Jettenia는 표면에 생물막을 우선적으로 형성하는 반면 Ca. Brocadia sinica는 현탁액에서 과립을 형성했습니다. 우리의 결과는 여러 아나목스 박테리아 종이 공존하고 아나목스 반응기에서 하위 틈새를 차지하고 있으며, 지배적인 개체군은 예를 들어 질소 부하를 변경하여 가역적으로 이동할 수 있음을 나타냅니다(즉, 높은 아질산염 농도는 Ca. Brocadia caroliniensis를 선호합니다). 종분화는 최적의 세포 고정화 전략(즉, 담체 대 과립)이 어떤 종이 지배적인지에 따라 달라지는 폐수 공정 설계에 영향을 미칩니다.

부분적인 질산화와 결합된 혐기성 암모늄 산화(anammox)는 기존 공정에 비해 상당한 에너지 절감 효과로 인해 질소가 풍부하고 탄소가 부족한 폐수(예: 부류 처리)를 처리하는 데 널리 적용됩니다. 이는 또한 도시 폐수 처리(즉, 주류 처리)를 위한 지속 가능한 처리 옵션으로 제안되었습니다. 19종의 candidatus anammox 박테리아 종이 저산소 해양 지역, 해안 퇴적물, 호수 및 폐수 처리장을 포함한 다양한 환경에서 확인되었습니다. 이들은 5개의 candidatus 속1,2,3으로 분류되었으며 아나목스 박테리아는 다양한 자연 및 인공 시스템에 서식할 수 있지만 동일한 서식지에 다른 속이 공존하는 경우는 거의 없습니다4. 성장률, 기질 친화성, 억제 화합물에 대한 민감성, 선호하는 성장 기질 및 차등 대사 경로의 차이는 모두 틈새 전문화에 기여하는 것으로 생각됩니다1,5,6,7,8,9,10.

다양한 조건 하에서 Anammox 실험실 규모 원자로에서 종 및 속 수준의 개체군 이동이 보고되었습니다. 최초의 본격적인 상업용 Anammox 원자로의 규모가 확대되는 동안 지배적인 인구는 Ca에서 이동했습니다. Kunenia stuttgartiensis ~ Ca. Brocadia anammoxydans(이에 대한 이유는 제공되지 않았지만). 연구에 따르면 부분 아질화/아나목스(PN/A) 반응기의 특정 환경 조건에서는 단일 아나목스 박테리아 종만 선택할 수 있다고 합니다11,13. 예를 들어, Ca. Jettenia moscovienalis2, Ca. B. caroliniensis14 및 Ca. B. sinica13은 혐기성 소화액을 처리하는 별개의 측류 반응기에서 검출된 반면 Ca. 브로카디아. sp. 40은 주류 조건에서 지배적인 아나목스 박테리아로 확인되었습니다15. Park et al.11은 아나목스 박테리아 선택에서 접종원과 반응기 구성보다 사료 구성이 더 중요하다는 것을 보여주었습니다. 그럼에도 불구하고 어떤 요인이 하나의 아나목스 박테리아 종을 다른 종보다 선택하는지에 대한 명확한 합의는 없습니다.

5% at any analysed time point) can be found in Supplementary Fig. S1, Supporting Information./p> 200 mg N L-1 (Fig. 1A,B). The microbial communities of R1 and R2 at different levels of N level showed relative strong dissimilarity (R = 0.48 and 0.57, respectively, with p = 0.001 for both). The microbial community at high N load period, on the other hand, was not highly differentiated (R = 0.29, p = 0.003). Despite the increase in relative abundance of multiple OTUs affiliated to anammox bacteria in both R1 and R2, a single OTU annotated to Ca. Brocadia, identified as Ca. B. caroliniensis by clone library analysis (Fig. 2), dominated throughout the first 120 days of reactor operation. Ca. B. caroliniensis increased during enrichment to 50% relative abundance in R1 and R2. However, a further increase in influent ammonium and nitrite concentrations beyond 220 mg N L−1 from day 100 (N loading rate of 500 mg N L−1-day−1 for R1 and 750 mg N L−1-day−1 for R2) resulted in the gradual increase of Ca. Brocadia_2, identified as Ca. B. sinica by clone library analysis (Fig. 2)./p> 0.8, p < 0.001). While the relative abundance of non-anammox bacteria was reduced in the presence of NO, the same correlation was nonetheless observed in R2. However, in R3, the non-anammox bacteria community was replaced by OTUs affiliated to unclassified Comamonadaceae (phylum Proteobacteria) and unclassified Bacteroidetes and a negative correlation was observed between unclassified Bacteroidetes and Ca. B. caroliniensis (Spearman's rho: − 0.7, p < 0.001). Notably, taxa affiliated to the Comamonadaceae family were nearly absent in R1 and R2, while they remained the dominant heterotrophic community in biomass both attached to the reactor wall and in suspension in R3, perhaps suggesting that these taxa have metabolic interactions with Ca. B. caroliniensis and play a role in biofilm formation (Supplementary Fig. S3)./p> 20 days)./p>