Разнообразие и взаимодействие микробных функциональных генов в разных условиях окружающей среды: данные мембранного биореактора и окислительной канавы

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 18509 (2016) Цитировать эту статью

3023 Доступа

20 цитат

Подробности о метриках

Влияние условий окружающей среды на разнообразие и взаимодействие микробных сообществ вызвало огромный интерес к микробной экологии. Здесь мы обнаружили, что с идентичными входными потоками, но с разными эксплуатационными параметрами (в основном, концентрации взвешенных веществ в смешанных растворах (MLSS), время удерживания твердых веществ (SRT) и концентрации растворенного кислорода (DO)), две полномасштабные системы очистки городских сточных вод с применением окислительных канав ( Процессы OD) и мембранного биореактора (MBR) содержали большинство общих генов (87,2%), но имели разные общие функциональные структуры генов, как показали два набора данных 12-дневных временных рядов, созданных с помощью функционального массива генов - GeoChip 4.2. Сети ассоциаций основных генов, циклирующих углерод, азот и фосфор в каждой системе, основанные на теории случайных матриц (RMT), продемонстрировали разные топологические свойства, а узлы MBR продемонстрировали более высокую связность. Статистический анализ показал, что MLSS и DO эффективны в формировании функциональных генных структур систем. Считалось, что более высокие концентрации MLSS, приводящие к снижению доступности ресурсов системы MBR, способствуют положительному взаимодействию важных функциональных генов. В совокупности эти результаты показывают различия функциональных потенциалов некоторых биопроцессов, вызванные разными условиями окружающей среды, и предполагают, что более высокий стресс, связанный с ограничением ресурсов, увеличивает положительные взаимодействия генов в системе MBR.

Сооружения по очистке сточных вод (ОССВ) являются крупнейшим применением биотехнологической техники, используемым для очистки бытовых и промышленных сточных вод, при этом центральную роль играют микробные консорциумы. Функции системного уровня (например, биоразложение и минерализация органических загрязнителей, круговорот азота и фосфора) и стабильность экосистемы достигаются за счет роста, деятельности и взаимодействия чрезвычайно разнообразных микробных популяций. Являясь уникальной искусственной микробной экосистемой с четко определенными химически и физически, очистные сооружения рассматриваются как благодатный полигон для решения ряда фундаментальных экологических вопросов1.

Экологическая неоднородность, определяемая как пространственные и временные изменения физической, химической и биологической среды, является фундаментальным свойством экосистем2. Его роль в формировании разнообразия и состава микробного сообщества широко ценится и является интригующей темой. СОСВ предназначены для обеспечения надлежащих условий окружающей среды для поддержания численности популяций микроорганизмов, особенно функционально важных групп, в пределах нормального уровня для производительности и стабильности системы. Поэтому многочисленные исследования сосредоточены на взаимосвязи между разнообразием микробного сообщества и условиями окружающей среды, главным образом, на основе генов 16S рРНК или специфических функциональных генов. Они выявляют различия в микробном разнообразии и составе, возникающие в результате дифференциации, например, концентрации влияющего химического потребления кислорода (COD inf)3, концентрации растворенного кислорода (DO)4 и времени удерживания твердого вещества (SRT)5. В частности, было высказано предположение, что биореакторы фиксированного объема, работающие при высоких значениях SRT, будут сильно насыщены организмами, способными эффективно использовать ограниченные ресурсы («К-стратеги»), в то время как низкие значения SRT будут способствовать обогащению быстрорастущих организмов, которые адаптированы для высокого использования ресурсов («r-стратеги»)6. Некоторые K-стратеги, такие как Nitrospira sp., Nitrosomonas sp. и таксоны, филогенетически связанные с Planctomycetes и Chloroflexi, присутствовали только при SRT ≥ 12 дней в системе очистки сточных вод, где были разные SRT (30 дней, 12 дней и 3 дня) и, соответственно, разные концентрации взвешенных веществ в смешанной жидкости (MLSS). применяется на разных этапах5.

Описание инвентарного разнообразия недостаточно для полного представления о микробной экологии экосистемы. Взаимодействия микробов также являются ключевой темой микробной экологии, благодаря которой разнообразные сообщества могут работать лучше, чем одни только наиболее эффективные виды. Благодаря огромной популярности высокопроизводительных методов и накоплению большого количества данных, микробные взаимодействия таксономических групп, населяющих очистные сооружения, совсем недавно были выявлены посредством их пространственных7 и временных8 закономерностей совместного возникновения. Выяснение влияния изменений окружающей среды на микробные взаимодействия необходимо для систематического понимания микробной экологии очистных сооружений, что также может позволить инженерам более эффективно структурировать такие сообщества.