细菌和古细菌群落结构的变化在一个全面的人工湿地废水处理

文摘

减少微生物扮演重要角色的有机和无机污染物在人工湿地用于污水的处理。然而,人工湿地系统中微生物群落的多样性和结构仍不清楚。在这项研究中,16 s rDNA的Illumina公司MiSeq测序是用于分析土壤的细菌和古细菌微生物群落结构和水在一个自由表面流人工湿地,以及细菌的不同社区和古水土比较之间的成分。结果表明,变形菌门是占主导地位的细菌,占35.38% ~ 48.66%的相对丰度。Euryarchaeotic是绝对主导古生菌影响样本的相对丰度为93.29%,而Thaumarchaeota显示在其他三个样本,占50.58% ~ 75.70%。不同物种的相对丰度显示,细菌和古生菌巨大的变化,在细菌和优势种的数量远高于古生菌。古生菌相比,社区组成的细菌更丰富和变化是更重要的。与此同时,细菌和古生菌成分在水和土壤之间的巨大差异。在水中微生物丰富度明显高于土壤。同时,土壤有显著的富集影响一些微生物菌群。

1。介绍

作为一种新型的污水处理系统,人工湿地已逐渐进入了视野。人工湿地污水处理被广泛使用在发达国家,如美国和德国,因为它的低成本,良好的去除率为有机物质和养分(氮、磷),和更高的地表水质量1]。山东建了许多人工湿地占据7.6%的土地(2),主要分布在Nansi湖和东平湖(3]。人工湿地可以去除污染物通过为微生物提供栖息地来刺激他们的活动(4];因此,微生物是特别重要的有机和无机污染物的减少人工湿地。由于不确定性和变化的分布在人工湿地微生物群落结构,它已经引起了学者的兴趣和关注。

目前,大量的研究一直在进行污水处理系统的微生物群落结构5- - - - - -7]。最近,随着高通量测序技术的发展,它也被广泛用于环境样品,如细菌群落结构在空中8)和水(9)和古细菌群落结构在土壤(10),即使在废水处理的污泥11]。然而,上述研究很少分析了细菌和古细菌群落结构相同的样品在同一时间。类似的研究也显示显著差异由于环境差异研究网站。

因此,在这项研究中,水和土壤样本,收集从自由表面流人工湿地,被Illumina公司评估MiSeq高通量方法,目的是探讨微生物群落结构和比较水和土壤微生物丰度差异,包括细菌和古生菌。

2。方法

2.1。采样地点

自由水表面人工湿地,位于内部的黄岛区(山东省青岛市,中国),35°35的纬度36°08年北部和119°30的经度到120°11东部,是一个综合污水净化系统的一部分。这个地区有一个温暖的温带大陆季风年平均温度为12.0°C,年平均降雨量794毫米。人工湿地污水处理系统总面积76.7嗯²和3.0×10的治疗能力⁴米³·d⁻¹四周是黄海东部和南部。它由99治疗床和接收二次unchlorinated废水从胶南市城市污水处理设施²O作为二级处理。所有的床都种植着共同的里德(芦苇南极光)和一些自然发芽湿地植物(香蒲胶,芦苇validus,浮萍属小等)。促进地上生物量收获进步,污水不进入人工湿地床从12月到明年3月。在这项研究中,两种不同的人工湿地处理单位选择有或没有污水,从每个单元湿土壤干燥,影响与污水和废水从单位是2017年5月采样。抽样的详细地理信息网站如图1。

2.2。抽样方法

50克的土壤样本和10 L水从每个样本收集样本网站的无菌密封袋和无菌瓶,分别。删除细根在土壤样本后,水和土壤样本立即转移到实验室。在离心脱水后,一小部分土壤样本存储在−20°C分子分析。水样的一部分由真空泵与45-mm-diameter微孔过滤膜,然后使用仔细冲洗和离心方法转移到2毫升无菌离心管和储存在−20°C到DNA提取;与此同时,另一部分是储存在4°C进行化学分析。

2.3。DNA提取

土壤DNA和水提取DNA从500毫克的冻土和500毫克的滤渣,分别使用土壤DNA工具包(ω,中国)根据制造商的指示。提取的DNA检查使用UV /核酸蛋白检测仪(IMPLEN,德国)。

2.4。Illumina公司MiSeq测序

针对目标序列反映了微生物的组成和多样性,根据保守区域设计相应的引物序列和添加sample-specific条形码序列进一步放大核糖体rna基因的可变区域(单个或连续)或特定基因片段PCR扩增。PCR扩增产品检测到2%的琼脂糖凝胶电泳,凝胶和目标片段被切除。荧光定量PCR产品恢复,根据每个样本测序卷的需要,和样本混合在适当的比例。DNA测序图书馆准备使用Illumina公司TruSeq Nano LT图书馆准备工具和机器上进行高通量测序。

2.5。序列数据分析

为了整合原双头测序数据,FASTQ格式的双端序列被滑动窗口第一次筛选。窗口的大小10 bp和步长是1 bp。从一垒位置5结束,平均基础质量的窗口是≥Q20(即。,基本平均测量精度是≥99%)。从第一个截短序列在windows,平均质量值低于Q20,我们要求一个截断序列长度≥150个基点,没有模棱两可的基地N允许的。随后,FLASH软件(12)(v1.2.7http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/)是用于对双链序列,根据重叠基地通过了质量检查。要求两个序列的重叠的基线长度1和读过2≥10 bp和基本不匹配是不允许的。最后,基于索引信息(即。,barcode sequence, for the beginning of the sequence used to identify a small base sequence) corresponding to each sample, the connected sequence identification is assigned to the corresponding sample (requires index sequence exactly match), to obtain a valid sequence for each sample.

3所示。结果

3.1。物理和化学特性的土壤和人工湿地的水

土壤和水的基本性质的结果列在表中1。湿土壤的化学指标都远远低于干燥的土壤,特别是有机质含量和干土湿土壤的15倍。人工湿地有很好的净化效果;废水中氨氮和亚硝酸盐氮明显降低。同时,溶解氧的含量也有所改善。

3.2。土壤细菌群落结构和人工湿地的水

3.2.1之上。细菌α多样性分析

稀疏曲线的四个样本图所示2。稀疏曲线和香农多样性指数曲线清晰地显示,细菌群落结构的土壤样本大大高于水样本。两种曲线往往是温和的,这表明测序结果已经足以反映当前样本的多样性,和增加的深度测序不能发现更多的新细节。测序结果基本上可以反映四个样品的微生物群落结构。

总共有29000、27204、19597和21439年将读取样品入渗,废水,潮湿的土壤,和干土,分别切除后不合格的读取(表2)。ACE估计量(13和Chao1估计量14)被用来估计的物种数量实际上存在于社区。Chao1估计量越大,丰富社区的越高,因此ACE估计量。社区丰富的土壤样本中远远高于水样本,显示微生物更容易附着在固体颗粒。香农多样性指数(15)和辛普森指数(16)都是常用的指数评价社区的多样性;香农指数和辛普森多样性指数越低越高可以解释社区的多样性就越高。社区的多样性在干燥的土壤样本是在这项研究中,最高的,影响样本中是最低的。辛普森指数更敏感的均匀性和社区中占主导地位的辣子鸡,它表现出高度的一致性在四个样本。

3.2.2。土壤细菌群落结构和人工湿地的水

细菌基因序列的四个样本分为分类学类mothur平台的使用默认设置。共有29个细菌类群在这项研究中被发现。总门数的影响,污水,潮湿的土壤,和干土是22日,23日,23日和23日。四个样本类似类群数量的水平,但截然不同的成分,和详细的相对丰度图所示3。四个样品,变形菌门,厚壁菌门,放线菌,拟杆菌、蓝藻、和Chloroflexi是最常见的细菌类群相对丰度高的,而其他类群的比例非常低。变形菌门是最主要的门的四个样品的相对丰度为35.38% ~ 48.66%。厚壁菌门在入渗示例(30.12%)和拟杆菌在废水(30.03%)和湿土(20.05%)样品还显示在绝对优势。不同于其他三个样本,Chloroflexi在干土的比例较高,占18.96%。两个水样的社区结构较为相似,所以是两个土壤样品。大多数细菌类群被发现在所有4个样品,如Verrucomicrobia Planctomycetes, Ignavibacteriae。然而,Aquificae Lentisphaerae, Synergistetes只出现水样,虽然Thermotogae, Deferribacteres, Calditrichaeota, Armatimonadetes仅存在于土壤样品。Tenericutes和Fusobacteria检测所有样品除了干燥的土壤,而Balneolaeota只出现在污水相对丰度很低。值得注意的是,Euryarchaeota,属于古生菌,也发现在这种细菌进行测序。

类的分布特征进行了分析,结果如图4。总共68个细菌类在这项研究中被发现。总类数的影响,污水,潮湿的土壤,和干土是44岁,47岁,55岁和53岁。Alphaproteobacteria的丰度分布、Sphingobacteriia Gammaproteobacteria四个样本相对平均,而其他类的相对含量,是完全不同的。梭状芽胞杆菌、放线菌和Epsilonproteobacteria主导类的影响的相对丰度26.91%,11.96%,和7.76%,分别在其他三个样品不超过3%;然而,Fusobacteriia的相对丰度影响的明显高于其他三个样品。Fimbriimonadia的相对丰度和在潮湿的土壤和Ignavibacteria Fibrobacteria干燥土壤是远高于其他三个样品。蓝藻和Flavobacteriia最常发现在废水占18.84%和18.02%,分别显示相对丰度较低时在其他三个样品。Betaproteobacteria不到10%的相对丰度在干燥的土壤,虽然在其他三个样本显示优势占18.15% ~ 20.9%。Coriobacteriia, Chloroflexia等等,总共19类,只有在土壤样本,发现其中有3类只有在潮湿的土壤和5类在干燥的土壤。 Deltaproteobacteria, Erysipelotrichia, etc., a total of 8 classes, were only detected in the water samples and 3 classes emerged only in effluent.

由于大量的数据,主要属相对丰度超过1%,是列在表中3。共40个细菌属被发现。属总数的影响,污水,潮湿的土壤,和干土是28日,33岁,28日和22日分别。在流入的示例中,除了分枝杆菌和Rhodoferax占主导地位,其他10个属的其他三个样本,相对丰度都低于1%。Haliscomenobacter,聚球藻属,Polaribacter,Owenweeksia只出现在废水,同时,Herminiimonas,普氏菌,Vogesella,Trichococcus,Dysgonomonas只发现在水样本。主要属土壤样本的数量低于水的样本,很明显。Tangfeifania只出现在潮湿的土壤,而Sulfuricaulis,Thermanaerothrix,Thermodesulfovibrio,Desulfobulbus,Thiohalobacter只发现在水样本。有趣的是,的相对丰度Alkaliphilus入渗高达20.67%,而主导属干土壤的总和为15.12%。

3.3。古细菌在人工湿地社区结构

3.3.1。古细菌α多样性分析

稀疏曲线的四个样本图所示5。稀疏曲线和香农多样性指数曲线的四个样品清晰显示热点社会结构的土壤样本明显高于水样本。两种曲线往往是温和的,这表明测序结果已经足以反映当前样本的多样性,和增加的深度测序不能发现更多的新细节。测序结果基本上可以反映四个样品的微生物群落结构。稀疏的趋势变化曲线和香农多样性指数曲线古生菌和细菌之间是完全相同的。

总共有56140、32879、61599和28301年将读取样品入渗,废水,潮湿的土壤,和干土,分别切除后不合格的读取(表4)。社区丰富在潮湿土壤样本远远高于其他三个样本,表明古生菌成为活跃在湿缺氧条件下(17]。社区的多样性古生菌在潮湿土壤样本是在这项研究中,最高的,从废水中最低的。香农指数更敏感的丰富社区和罕见的辣子鸡,表明有更多不明物种在古界。除了ACE估计量和Chao1估计在废水和干土,其他α多样性指数都高于细菌群落结构。

3.3.2。古细菌群体结构的土壤和人工湿地的水

古细菌序列的四个样本分为分类学类Qiime平台的使用默认设置。与细菌、古生菌的结果是非常简单和类群的数量很低。总共3古细菌类群被发现存在的所有四个样本,但在作品截然不同,详细的相对丰度图所示6。Euryarchaeotic绝对主导门在影响样本的相对丰度为93.29%,而在其他三个样品不超过15%。Thaumarchaeota显示在其他三个样本(50.58% ~ 75.70%),但影响仅占1.28%。Crenarchaeota是常见的古细菌类群的相对多度高的土壤样本(20.86%和33.61%),而水样中的比例很低(0.34%和0.61%)。同时,一些古细菌类群,没有爆炸序列也发现样品中分为他人。两个土壤样本更多的社区结构相似,而两个水样的结构是完全不同的。

类的分布特征是图所示7。共有11个热点类被发现和总类数影响,废水,潮湿的土壤,干土都是10。不同类别的相对丰度是完全不同的。Methanomicrobia和Thermoprotei入渗的主要类和湿土,81.58%和33.61%的相对丰度,而Nitrosopumilales显示优势废水和干燥的土壤,占75.12%和51.51%。值得指出Nitrosopumilales很高的相对丰度不仅在土壤样品还在流出物(30.44%),虽然它很低的影响,表明Nitrosopumilales污水中不存在的,主要存在于湿地矩阵。Methanomicrobia在其他三个低浓度样品,除了影响,猜测这是污水处理过程的主要来源。Thermoprotei的相对丰度,Thermoplasmata Nitrososphaeria土壤样本远远高于水样。

由于大量的数据,主要属相对丰度超过1%,是列在表中5。共有13个古属在这项研究中被发现。古细菌主要属四个样品在古细菌微生物群落占86.83% ~ 95.95%。在流入的示例中,Methanosaeta和Methanocorpusculum占主导地位的属,但他们有很低的相对丰度在其他三个样品。除了他们,其他11个主要属都不到7%。的相对丰度Nitrososphaera,Ignisphaera,Staphylothermus,Thermodiscus,Methanomassiliicoccus土壤样本远远高于水样。这是值得指出Nitrosopumilus都有很高的相对丰度废水,潮湿的土壤,和干燥的土壤样本,但在入渗示例不到1%。

4所示。讨论

4.1。土壤细菌多样性和社区和人工湿地的水

迄今为止,对细菌群落结构在自由水面人工湿地。变形菌门是占主导地位的细菌的水和土壤样品,与门的相对丰度在35%。相同的结论已经证实在以前的沿海水(18],机载[19),和土壤(20.)的研究,这可能证明变形菌门是占主导地位的门在几乎所有的环境样本。变形菌门是革兰氏阴性细菌微生物,大量nitrogen-related微生物分布在变形菌门(21,22];这或许可以解释为什么变形菌门的相对丰度在人工湿地高于自然湿地(23- - - - - -25]。拟杆菌门和厚壁菌门都属于肠道微生物(26,27),和高的相对含量,在这项研究中可能是由于相对开放的人工湿地的特点,还有大量的鸟类和昆虫栖息于周边地区,与此同时,厚壁菌门能降解多种有机污染物(28),污水处理系统是他们的主要来源,这或许可以解释为什么在影响壁厚菌门的相对丰度高于其他三个样品。Chloroflexi被证明是一个常见的门在各种废水人工湿地系统(29日,30.];然而,在这项研究中,土壤中Chloroflexi的相对丰度明显高于水,这是猜测,一些微生物将土壤中富集,也许同样的结论也可以总结Acidobacteria, Ignavibacteriae Gemmatimonadetes, Nitrospirae。目前,许多研究发现,产毒素的蓝藻(31日,32)和蓝细菌含量高的废水应该引起监管部门的注意。在这项研究中,三个细菌类群只出现在水中,而四只存在于土壤,表明即使采样位置相似,不同环境样品来源仍会导致不同的细菌群落结构。

占主导地位的细菌中发现的研究基本上是与先前的研究一致。少量的Steroidobacter从土壤,microcystin-degrading Gammaproteobacterium孤立33),在影响被发现在这项研究中,猜测它可能来自污水处理过程。Taibaiella在生物膜(主要属34)和土壤(35];有趣的是,这不是影响。Sulfuricaulis从湖的沉积物主要是孤立的日本(36];然而,只有在本研究土壤中退出。Desulfobulbus从海洋沉积物是孤立的37),也只有在土壤、符合抽样位置地理环境的特点,毗邻海洋。近年来,很少有相关研究Alkaliphilus在影响,但其丰度高达20.67%,这需要我们更多的关注。Limnohabitans、小说浮游Betaproteobacteria隔绝淡水水库,可以证明在人工湿地水的质量有了显著的提高。眉藻属是占主导地位的植物在自然水(38),净化后的相对含量显著增加。

本研究发现,土壤群落多样性低于水面,而干燥的土壤细菌比湿土壤结构简单。分枝杆菌是一个重要的全球威胁与囊性纤维化(个人39],相对丰度在土壤水远高于那些在这项研究中,通过水处理的大幅减少,这已经被证实与浊度(40]。肠球菌显示高胆固醇清除能力(41和能够制氢42),这可能对新能源研究奠定基础。Dysgonomonas可能引起肝脓肿(43)和发电的机制中发挥了重要作用[44),发现只有在水里。黄杆菌属造成毁灭性的死亡率在全球各种淡水鱼类45)和孤立中国1号冰川,作为一种嗜冷细菌(46]。假单胞菌负责慢性感染(47),是最常见的细菌在土壤48),这或许可以解释为什么的相对丰度假单胞菌在干燥的土壤样本中高于水和潮湿土壤样本。Janthinobacterium双孢蘑菇可能导致软腐病病(49),隔绝水(50)和土壤(51];但是,没有这样的属本研究的土壤样本。

4.2。古细菌多样性和社区人工湿地的土壤和水

古细菌丰度的分布在人工湿地的水和土壤都知之甚少,在本研究的分析增加了难度。其中,1.03% ~ 9.07%的序列不能找到自己的妄想,和0.14% ~ 2.07%被确认为细菌。三个古细菌类群被发现在这项研究中,但水和土壤之间的差距是非常大的。Euryarchaeotic,占93.29%,是影响的主要门,参与生产甲烷(52]。目前,在人工湿地系统中,只有一些相关研究,表明Euryarchaeotic门[是一个优势53,54]。在这项研究中,它已经达到了93.29%,这应该引起我们的注意。大多数以前的研究表明,Euryarchaeotic人工湿地系统是一个重大热点集团(55,56),但影响因素,影响Euryarchaeotic的相对丰度,是不清楚57]。Thaumarchaeota是海洋古生菌和丰富ammonia-oxidizers [58),保证人工湿地的净化效率和以前被广泛报道59,60]。本研究还发现了少量的Crenarchaeota,曾在温和的酸性森林土壤丰富的61年),这一结论也与人工湿地的水质保持一致。

先前的研究报道Nitrososphaera和Nitrosopumilus(62年,63年)属于氨的氧化古生菌,他们大量的存在可以保证人工湿地系统的净化效果。的相对丰度Nitrosopumilus增加突然经过人工湿地,从0.79%降至75.12%,这可能是主要与溶解氧的浓度有关。Methanomassiliicoccus,甲烷八叠球菌属,Methanomethylovorans,Methanocorpusculum,Methanobrevibacter,甲烷细菌属都归类为产甲烷古菌有潜力很大不同工业用途(64年]。的产甲烷archaeonMethanomassiliicoccus从人类粪便被隔离65年],它填补了空白的发现自然燃煤产烷生物组的记录。甲烷八叠球菌属发挥了重要作用的长期生物修复uranium-contaminated含水层和有可能影响铀地球化学多样性的厌氧沉积环境(66年]。Methanosaeta只有被报道在过去的三年一次(67年以后,应加强其研究。Methanomethylovorans也是一个methylotrophic古生菌和有巨大的潜力作为生物反应器的附加剂进行沼气生产和其他相关流程68年]。Desulfurococcus是一个厌氧,hyperthermophilic crenarchaeon,能够使用各种不同的碳源(69年]。除了上面提到的属,这项研究没有找到以前的研究Thermodiscus,Staphylothermus,Ignisphaera应该强调在后来的研究,因为他们的高的相对含量,土壤样品中。

5。结论

综上所述,目前的研究中,使用Illumina公司MiSeq高通量测序的方法,提供了详细的照片门细菌和古细菌群落的变化,类,属水平全面的人工湿地。测序结果和α多样性指数表明,细菌总数辣子鸡可以分为29个不同的类群,而古辣子鸡只有3。其中,变形菌门是最主要的细菌类群的相对多度35.38% ~ 48.66%。Euryarchaeotic Thaumarchaeota占主导地位的古细菌类群。细菌群落结构的多样性明显高于古生菌的同时,土壤微生物和社区的结构明显不同于水微生物。在属水平,9个细菌属和动植物疾病有密切关系,同时可用于微生物风险评估,和古细菌属主要集中在产甲烷菌或厌氧古生菌,这可能提供了一些有用的生物修复的微生物信息。值得注意的是,古生菌的缺乏研究带来了巨大的困难,这项研究中,应强调在后来的研究。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢水和污水的市政企业胶南(青岛)许可的水和土壤采样市政污水处理厂的胶南。这项工作是由中国国家自然科学基金(31570541和31570541号),山东省自然科学基金(2015 zrb01546),科技计划项目山东大学(J14LD05),青岛和基础研究项目(15 - 9 - 1 - 64 - jch)。

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