Mechanism of microbial metabolic responses and ecological system conversion under different nitrogen conditions in sewers  

不同氮條件下下水道微生物代謝響應及生態系統轉化機制  

來源：Water Research, volume 186, article number 116312, 2020  

《水研究》第186卷，文章編號116312，2020年  

 

摘要內容

 

研究通過1200米中試下水道系統，探究有機/無機氮比例（7:3的A組 vs 3:7的B組）對碳、氮、硫生物轉化的影響。關鍵發現包括：  

1. 氨基酸分布差異：A組以甲硫氨酸（32.67%）和蘇氨酸（29.86%）為主，B組以甲硫氨酸（66.24%）和天冬氨酸（8.98%）為主（圖1c-d）。  

 

2. 微生物群落響應：  

   ? A組富集碳循環菌群（產氫乙酸菌HPA和產甲烷古菌MA），基因拷貝數更高（圖3a-c）；  

 

   ? B組富集硫循環菌群（硫酸鹽還原菌SRB）和氮循環菌群（反硝化菌DNB和氨氧化菌AOB）（圖3d-f）。  

 

3. 代謝通路調控：  

   ? A組有機氮促進甘氨酸和天冬氨酸生成，強化甲烷代謝（碳轉化）（圖5a）；  

 

   ? B組無機氮促進甲硫氨酸和半胱氨酸生成，激活硫循環（圖5c）。  

 

4. 生態系統轉化：  

   ? 脯氨酸、甘氨酸和酪氨酸（A組）增強細胞膜運輸和蛋白質合成，支持碳循環菌群（圖6）；  

 

   ? 丙氨酸和甲硫氨酸（B組）驅動氮硫轉化，導致更高硫化氫生成風險（圖6）。  

 

研究目的

 

1. 揭示不同氮源比例（有機氮 vs 無機氮）對下水道微生物代謝路徑的影響機制。  

2. 闡明氮污染物如何通過氨基酸分布調控碳、氮、硫的生物轉化過程。  

3. 構建下水道生態系統模型，為預測硫化氫/甲烷生成及管道腐蝕提供理論依據。  

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

   ? 建立1200米中試下水道系統，模擬真實水力條件（坡度5‰、流速0.6 m/s、黑暗環境）。  

 

   ? 設置兩組氮比例：A組（有機氮:無機氮=7:3）模擬生活污水，B組（3:7）模擬工業廢水。  

 

2. 參數監測：  

   ? 環境因子：Unisense微電極（丹麥）測量生物膜厚度、DO、ORP（圖1a）。  

 

   ? 氨基酸分析：HPLC檢測16種氨基酸分布（圖1c-d）。  

 

   ? 微生物群落：qPCR定量功能菌群（TB/HPA/MA/SRB等）（圖3），16S rRNA測序分析群落結構（圖2）。  

 

   ? 代謝通路：宏基因組分析KEGG通路（圖4-5）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. 生物膜厚度（圖1a）：  

   ? 數據：A組生物膜厚度顯著高于B組（150天穩定期）。  

 

   ? 意義：有機氮促進微生物增殖，增加生物膜積累，可能加劇管道堵塞風險。  

 

2. 氨基酸分布（圖1c-d）：  

   ? 數據：A組特有脯氨酸、甘氨酸、酪氨酸；B組丙氨酸豐度更高，甲硫氨酸占比達66.24%。  

 

   ? 意義：氮比例直接決定關鍵氨基酸組成，驅動下游代謝路徑分化。  

 

3. 功能菌群豐度（圖3）：  

   ? 數據：A組HPA和MA基因拷貝數峰值（2.84×1013 copies/mL）顯著高于B組（6.24×1012 copies/mL）；B組SRB豐度（6.31×10? copies/mL）高于A組（4.88×10? copies/mL）。  

 

   ? 意義：有機氮富集碳循環菌群（甲烷生成），無機氮富集硫循環菌群（硫化氫生成）。  

 

4. 代謝通路基因（圖5）：  

   ? 數據：A組甲烷代謝基因（如1.2.7.4）表達更高；B組硫還原基因（如1.8.99.2）和反硝化基因（1.7.2.1）富集。  

 

   ? 意義：從基因層面證實氮比例通過氨基酸調控碳/硫代謝平衡。  

 

結論

 

1. 氮比例決定代謝方向：高有機氮（A組）促進甲烷生成，高無機氮（B組）促進硫化氫生成。  

2. 氨基酸是關鍵媒介：甘氨酸（A組）驅動碳循環，甲硫氨酸（B組）驅動硫循環，直接關聯溫室氣體和腐蝕風險。  

3. 微生物群落響應：碳循環菌群（如HPA）與有機氮正相關，硫循環菌群（如SRB）與無機氮正相關。  

4. 工程啟示：監測污水氮比例可預測下水道硫化氫/甲烷風險，指導針對性干預措施。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

Unisense微電極（型號未注明，tip直徑10μm）用于高分辨率測量生物膜參數：  

1. 揭示生物膜空間異質性：  

   ? 電極數據直接顯示A組生物膜更厚（圖1a），印證有機氮促進微生物附著增殖，為生物膜結構差異提供原位證據。  

 

2. 解析氧微環境驅動機制：  

   ? DO/ORP剖面顯示A組氧滲透更深，支持好氧菌主導碳循環；B組淺層厭氧區擴大，促進SRB活動。  

 

   ? 結合qPCR數據（圖3），證明氧梯度與SRB/MA空間分布耦合：A組深層厭氧區富集MA（產甲烷），B組淺層厭氧區富集SRB（產硫化氫）。  

 

3. 關聯代謝活性：  

   ? 電極測得的ORP變化與宏基因組通路（圖5）一致：B組低ORP環境激活硫還原基因（如1.8.99.2），直接關聯硫化氫生成。  

 

科學價值：Unisense電極以微米級分辨率捕捉生物膜物理化學梯度，將宏觀污染物轉化（如甲烷/硫化氫生成）與微觀微生物生態位（好氧/厭氧區）空間關聯，為下水道生態系統模型提供關鍵界面過程參數。