다양한 환경 조건에서 미생물 기능 유전자의 다양성과 상호 작용: 막 생물 반응기 및 산화 도랑에서 얻은 통찰력

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 18509(2016) 이 기사 인용

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미생물 군집의 다양성과 상호 작용에 대한 환경 조건의 영향은 미생물 생태학에 엄청난 관심을 불러일으켰습니다. 여기에서 우리는 유입수는 동일하지만 운영 매개변수(주로 혼합액 부유 고형물(MLSS) 농도, 고형 체류 시간(SRT) 및 용존 산소(DO) 농도)가 다른 두 개의 전체 규모 도시 폐수 처리 시스템에서 산화 도랑을 적용한다는 사실을 발견했습니다( OD) 및 막 생물반응기(MBR) 공정은 대부분의 공유 유전자(87.2%)를 보유하고 있지만 기능적 유전자 배열인 GeoChip 4.2에 의해 생성된 12일 시계열의 두 데이터세트에서 밝혀진 바와 같이 전반적인 기능적 유전자 구조가 서로 달랐습니다. 무작위 매트릭스 이론(RMT)을 기반으로 한 각 시스템의 핵심 탄소, 질소 및 인 순환 유전자의 연관 네트워크는 서로 다른 토폴로지 특성을 나타냈으며 MBR 노드는 더 높은 연결성을 나타냈습니다. MLSS와 DO는 통계 분석을 통해 시스템의 기능적 유전자 구조를 형성하는 데 효과적인 것으로 나타났습니다. MBR 시스템의 자원 가용성을 감소시키는 MLSS 농도가 높을수록 중요한 기능 유전자의 긍정적인 상호 작용을 촉진하는 것으로 생각되었습니다. 함께, 이러한 발견은 다양한 환경 조건으로 인해 발생하는 일부 생물 과정의 기능적 잠재력의 차이를 보여 주며 자원 제한에 대한 스트레스가 높을수록 MBR 시스템에서 긍정적인 유전자 상호 작용이 증가한다는 것을 시사합니다.

폐수 처리장(WWTP)은 가정 및 산업 폐수 처리에 사용되는 생물공정 공학의 가장 큰 응용 분야이며 미생물 협회가 중심 역할을 합니다. 시스템 수준 기능(예: 유기 오염물질의 생분해 및 광물화, 질소 및 인 순환)과 생태계 안정성은 매우 다양한 미생물 개체군의 성장, 활동 및 상호 작용을 통해 달성됩니다. 화학적, 물리적으로 잘 정의된 독특한 인공 미생물 생태계인 WWTP는 다양한 근본적인 생태학적 질문에 대한 비옥한 시험장으로 간주됩니다1.

물리적, 화학적, 생물학적 환경의 공간적, 시간적 변화로 정의되는 환경 이질성은 생태계의 기본 속성입니다2. 미생물 군집의 다양성과 구성을 형성하는 역할은 일반적으로 가치가 있으며 흥미로운 주제입니다. WWTP는 풍부한 미생물 개체군, 특히 기능적으로 중요한 그룹을 시스템 성능 및 안정성을 위한 정상 수준 내로 유지하기 위한 적절한 환경 조건을 제공하기 위한 것입니다. 따라서 수많은 연구는 주로 16S rRNA 유전자 또는 특정 기능 유전자를 기반으로 미생물 군집 다양성과 환경 조건 간의 관계에 중점을 둡니다. 그들은 유입되는 화학적 산소 요구량(COD inf) 농도3, 용존 산소(DO) 농도4 및 고체 체류 시간(SRT)5 등의 차별화로 인해 발생하는 미생물 다양성과 구성의 차이를 보여줍니다. 특히, 높은 SRT에서 작동되는 고정 용량 생물반응기는 부족한 자원('K-전략가')을 효율적으로 활용할 수 있는 유기체로 매우 포화되는 반면, 낮은 SRT는 빠르게 성장하는 유기체를 풍부하게 하는 데 도움이 될 것이라고 제안되었습니다. 높은 자원 활용도에 적합('r-전략가')6. Nitrospira sp., Nitrosomonas sp.와 같은 일부 K-전략가. Planctomycetes 및 Chloroflexi와 계통발생학적으로 연관된 분류군은 서로 다른 SRT(30일, 12일 및 3일)와 그에 따라 다른 혼합액 부유 고형물(MLSS) 농도가 있는 폐수 처리 시스템에서 SRT ≥ 12일에만 존재하는 것으로 나타났습니다. 다른 stage5에 적용.

목록 다양성에 대한 설명만으로는 생태계의 미생물 생태를 전체적으로 파악하는 데 충분하지 않습니다. 미생물 상호작용은 미생물 생태학의 핵심 주제이기도 하며, 이를 통해 다양한 공동체가 최고의 성과를 내는 종보다 더 나은 성과를 낼 수 있습니다. 압도적인 인기를 누리고 있는 대용량 기술과 많은 양의 데이터가 축적됨에 따라 최근 하수처리장에 서식하는 분류군 간의 미생물 상호작용이 공간적7 및 시간적8 동시 발생 패턴을 통해 밝혀졌습니다. 환경 변화가 미생물 상호 작용에 미치는 영향을 명확히 하는 것은 WWTP의 미생물 생태학을 체계적으로 이해하는 데 필요하며, 이를 통해 엔지니어는 이러한 공동체를 보다 효율적으로 구성할 수도 있습니다.