论文标题：PICRUSt2 functionally predicts organic compounds degradation and sulfate reduction pathways in an acidogenic bioreactor (通过16S rRNA高通量测序和PICRUSt2预测产酸-硫酸盐还原反应器的群落功能和宿主信息)

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Jun Li (李俊), Aimin Li (李爱民), Yan Li (李燕), Minhui Cai (蔡珉晖), Gan Luo (罗干), Yaping Wu (吴亚萍), Yechao Tian (田业超), Liqun Xing (邢立群), Quanxing Zhang (张全兴)

发表时间： 25 Aug 2021

DOI：10.1007/s11783-021-1481-8

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原文链接：

https://journal.hep.com.cn/fese/EN/PDF/10.1007/s11783-021-1481-8

文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 47

原文信息

题目：

PICRUSt2 functionally predicts organic compounds degradation and sulfate reduction pathways in an acidogenic bioreactor

作者：

Jun Li¹ (李俊), Aimin Li ()¹ (李爱民), Yan Li² (李燕), Minhui Cai¹ (蔡珉晖), Gan Luo¹ (罗干), Yaping Wu¹ (吴亚萍), Yechao Tian¹ (田业超), Liqun Xing¹ (邢立群), Quanxing Zhang¹ (张全兴)

作者单位：

1. State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210023, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Chemical Pollution Control and Resources Reuse, School of Environmental and Biological Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

关键词：

PICRUSt2 (基于未观测状态重建的群落系统发育研究)；Acidogenic phasereactor (酸化相反应器) ； High-sulfate wastewater (高硫酸盐废水)； Sulfate reduction (硫酸盐还原)；Acidogenic fermentation (酸化发酵代谢通路)

文章亮点

• 酸相反应器污泥经硫酸盐梯度驯化后，在高硫酸盐条件下(12000 mg/L)仍然可以保持70%以上的硫酸盐还原效果。

• 随硫酸盐浓度升高，丙酸和丁酸的积累主要是由于编码短链酰基辅酶A脱氢酶的功能基因丰度下降导致的。

• 硫酸盐还原功能基因主要来自脱硫弧菌属 (Desulfovibrio)。

• 同化和异化硫酸盐还原过程对硫酸盐的响应趋势不同。

文章简介

制药、造纸、印染、食品加工等领域的生产过程中排放出含有大量硫酸盐的有机废水。通常采用厌氧法处理硫酸盐有机废水，但是硫酸盐的存在，会给废水处理带来很大困难。一方面，硫酸盐还原菌会与产甲烷菌竞争共同的底物（氢气和乙酸）；另一方面，硫酸盐还原产物硫化物对甲烷菌有较强的毒性抑制作用。两相厌氧工艺通过相的分离，使得硫酸盐还原和产甲烷过程分别发生在两个独立的反应器中，从而有效避免硫酸盐对产甲烷过程的两级抑制。因此两相厌氧工艺在处理硫酸盐废水方面具有一定的优势。本文考察了两相厌氧系统中酸化相反应器对于硫酸盐有机废水的水解酸化和硫酸盐还原效果。通过长时间的污泥驯化，使酸化相反应器可以耐受更高浓度/负荷的硫酸盐，并通过PICRUSt2预测反应器不同硫酸盐条件下的群落功能和相关功能通路宿主菌群信息。

图1 本研究摘要图

研究结果表明，酸化相反应器污泥经过长时间的硫酸盐驯化，在进水硫酸盐浓度12000 mg/L以内均能保持70%以上的硫酸盐还原率。但是，当进水硫酸盐超过12000 mg/L，酸化相系统的硫酸盐出现大幅下降。随着硫酸盐浓度的升高，液相末端产物挥发性脂肪酸中丙酸和丁酸出现较为明显的积累，丙酸和丁酸在挥发酸中的比例升高，而乙酸比例有所下降，这可能是酸相系统处理效果下降的主要原因。此外，通过氮气吹脱，能够控制酸化相反应器内游离态硫化氢浓度在100 ppm以内，有效降低其对微生物的毒性抑制作用。

功能分析结果表明，随着硫酸盐浓度升高，同化硫酸盐还原通路的功能基因丰度整体呈上升的趋势，而异化硫酸盐还原通路的功能基因丰度反而有所下降，这与荧光定量PCR结果相一致。通常认为硫酸盐可以刺激硫酸盐还原菌生长，达到富集硫酸盐还原菌的效果。而此实验可能是硫酸盐浓度过高，从而导致抑制效果大于促进效果。此外，异化和同化硫酸盐还原通路的功能基因宿主均主要来自脱硫弧菌属(Desulfovibrio)。水解酸化功能通路分析结果表明，高硫酸盐条件下丙酸和丁酸的积累主要与编码短链酰基辅酶A脱氢酶的功能基因有关。其相对丰度由硫酸盐4000 mg/L 时的683 TPM (transcripts per million)降至10 TPM左右（9000 mg/L和 12000 mg/L硫酸盐）。而短链酰基辅酶A脱氢酶发挥着催化丙酸氧化途径中丙酰基辅酶A转化为丙酰基辅酶A的反应和丁酸氧化途径中丁酰辅酶A转化成巴豆酰辅酶A的反应，其丰度骤降会导致丙酸和丁酸向乙酸的转化过程受阻（图2）。编码短链酰基辅酶A脱氢酶的功能基因主要来自梭菌目（OTUs仅能够注释到目水平）。

图2 丙酸、丁酸氧化和同型产乙酸代谢通路及相关功能基因丰度

作者点评

功能分析在生物学价值上比单独的物种组成分析更为重要，基于16s+PICRUSt2的功能分析方法成本低，只要有 16s 的测序数据就可以进行，不需要额外的数据进行补充。PICRUSt 团队于2020年推出的PICRUSt2更是克服了原软件诸多缺点，并增加了很多新的功能。新功能中，预测的功能基因宿主信息可以作为菌群结构和群落功能之间的直接联系，对我们的研究非常有用，而不用分开单独讨论菌群结构和群落功能。16S rRNA高通量测序+PICRUSt2不失为低成本获得群落功能的一种好的方式。

作者简介

李俊，男，江苏南京人，南京大学环境学院2018级博士生，导师为李爱民教授，研究方向硫酸盐有机废水的厌氧生物处理。

摘要

For comprehensive insights into the influences of sulfate on performance, microbial community and metabolic pathways in the acidification phase of a two-phase anaerobic system, a laboratory-scale acidogenic bioreactor was continuously operated to treat wastewater with elevated sulfate concentrations from 2000 to 14000 mg/L. The results showed that the acidogenic bioreactor could achieve sulfate reduction efficiency of greater than 70% for influent sulfate content less than 12000 mg/L. Increased sulfate induced the accumulation of volatile fatty acids (VFAs), especially propionate and butyrate, which was the primary negative effects to system performance under the high-sulfate environment. High-throughput sequencing coupled with PICRUSt2 uncovered that the accumulation of VFAs was triggered by the decreasing of genes encoding short-chain acyl-CoA dehydrogenase (EC: 1.3.8.1), regulating the transformation of propanoyl-CoA to propenoyl-CoA and butanoyl-CoA to crotonyl-CoA of propionate and butyrate oxidation pathways, which made these two process hardly proceed. Besides, genes encoding (EC: 1.3.8.1) were mainly carried by order Clostridiales. Desulfovibrio was the most abundant sulfate-reducing bacteria and identified as the primary host of dissimilatory sulfate reduction functional genes. Functional analysis indicated the dissimilatory sulfate reduction process predominated under a low sulfate environment, but was not favored under the circumstance of high-sulfate. With the increase of sulfate, the assimilatory sulfate reduction process finally overwhelmed dissimilatory as the dominant sulfate reduction pathway in acidogenic bioreactor.

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