污水厂大数据 | 波兰丹麦两国污水厂微生物有何不同吗？
自2006年起，丹麦超过50座污水厂(都包含脱氮除磷工序)加入一个名为MiDas-DK的研究项目中来。MiDas-DK是丹麦脱氮除磷活性污泥污水厂微生物数据库(The Microbial Database for Danish Activated Sludge Wastewater Treatment Plants with Nutrient Removal)的简称。该项目的是要为这些污水厂建立活性污泥微生物数据库。应用的分析技术就是基于16S RNA扩增子测序和深度宏基因组学的量化FISH荧光原位杂交技术。我们之前的微信推送里介绍过的IWA微生物生态与水工程专家组(Microbial Ecology & Water Engineering Specialist Group)成员Per Nielsen教授就是这个项目的重要参与者。
过十年的积累，这个数据库已经成为一个非常强大的研究活性污泥生态系统的辅助工具，它帮助丹麦的研究人员优化污水厂的运行。他们的愿景是希望世界各地的同行受此启发，建立例如在巴西、中国和地球其他角落的类似的数据库，当这些数据汇总在一起，当它足够多的时候，就能成为例如污水界的Google，使科学家获得对污水工程设计更深更全面的理解。
来自波兰华沙理工大学和华沙大学的两位科学家Muszynski和Miłobędzka就对此做出了响应，效仿丹麦的做法，对波兰的两座活性污泥工艺的污水厂的微生物群落进行了为期两年的跟踪分析。
在此之前，波兰的污水厂并有通过分子微生物技术获取的可靠的微生物数据库。在这篇研究报告里，他们采用16S核糖体RNA扩增子的Illumina测序技术，找出了丰度最高（most aboundent）的菌种，并分析他们在系统中的潜在功能，以及随时间变化的动力学情况，以此检验它们是否包含在丹麦污水厂的核心细菌群落里。
研究中考察的两座波兰污水厂处理的都是市政污水，而且规模相当，处理能力人口当量PE分别为73,400人和76,000人。两座厂都有初沉池、以及生物脱氮除磷工序，但包含化学除磷。硝化池使用微孔曝气器。
两座厂主要区别在于反应池的结构和主要的技术参数。1号污水厂使用A2O反应器，另加前置反硝化和硝化器。2号污水厂使用UCT工艺（南非开普敦大学研发的）。在2012-2014年的研究期间，1号污水厂出现过严重的污泥膨胀问题，还有脱氮表现欠佳的情况，2号污水厂的问题大多是活性污泥的沉降和泡沫的形成。两个厂的具体工艺细节和运行表现不在这里详述，大家下载原文查看它的补充材料了解详情。
活性污泥的随机样品每年采集两次，每个样品为100ml（3月初和9月末），采样点为好氧曝气池离池面30cm深的位置，然后冷冻保存直至用于DNA提取。
DNA测序由丹麦Aalborg的DNAsense ApS公司的设备操作，目的是测量微生物群落丰度，通过使用丹麦的设备也能更好地和丹麦的情况做对比。然后使用R统计软件来进行相关的统计分析。
核心群落的特征、丰度和从属关系
分析结果显示的优势菌种是蛋白菌门(Proteo bacteria)和拟杆菌(Bacteroidetes)。下图图1展示的是它们在测试污水厂的活性污泥中的平均丰度（扩增子对的百分比），图2展示的是它们的季节性变化。
▲ 图1 数量最多的丰度最高的30种细菌的功能、身份和丰度的对比
▲ 图2 30种丰度最高的细菌在波兰污水厂的季节变化情况；冬天和夏天过后丰度变高的细菌分别用深灰和浅灰标出
这30种丰度最高细菌组占了微生物群落的半数组成，每组的平均丰度范围为0.7-9%。图1也显示了对应的门(phylum)、种(genus)或者OTU数。异养反硝化优势菌红环菌种Rhodoferax的丰度在其中一次采样里高达20%（平均值为9%）。排名第二的是黄杆菌Flavobacterium（两个厂的数值分别为3.8% 和5.1%）它和其他三个拟杆菌门的菌种（QEDR3BF09(3.1%), PHOS–HE28 (2.6%), CYCU–0281 (2%)）在活性污泥微生物群落里还没有给出特定的功能。大部分的菌种（18种已经被发现的和5种未被鉴定出的OTUs）属于丹麦团队之前划分出核心群落名单的菌种。
季节变化和污水厂对细菌丰度的影响
我们可以从图2中看出13种菌丰度的显著变化，从而反映出温度变化。其中，QEDR3BF09（至今没被研究过，属于腐螺旋菌Saprospiraceae）、Candidatus Accumulibacter (变形杆菌、异养反硝化、聚磷菌PAO)、cladeOM27 和SBR1029 (丝状绿弯菌)的丰度在夏天之后增加了。
属于变形杆菌的红环菌种Rhodoferax、弓形杆菌Arcobacter、 脱氯单胞菌Dechloromonas, 红细菌目Rhodobacter 简单螺旋形菌Simplicispira, 贝塔变形菌Candidatus Nitrotoga 和拟杆菌门的Flavobacterium、PHOS–HE28 和OTU_371 则呈现相反的趋势，它们在冬天过后的丰度才增加。两座污水厂同一菌种的细菌丰度作为两组独立数据来对待，两位科学家使用Student’st-检验（针对独立样本）来对比两组数据，结果显示污水厂本身的影响性只有Ferruginibacter这菌种上较为显著。
下图是10个样本的微生物群落的主要成成分（Principal Component Analysis, PCA）分析结果：
▲ 图3 PCA 分析对波兰两个污水厂两个季节的样本的对比
结果显示波兰污水厂的活性污泥的细菌数量跟采样时间和污水厂是相关的。九月的样本处于左上方，而2号污水厂的样本处于左下方。这情况在丹麦污水厂很相似，更加明显。但是PCA分析的两个主成分的解释方差不到50%，跟变量变化关系不大，很难说明问题。
两位波兰科学家进而对波兰和丹麦的样品放到同一个坐标系中作对比，即图4：丹麦的污水厂有三种不同的类型（只处理市政污水、只有工业废水，以及混合处理三种情况），而波兰的两座污水厂的样本相对集中。纯粹看图说话的话，很容易解释为什么1号污水厂的红点更靠近丹麦的绿点（纯市政污水）而2号污水厂的蓝点更接近紫点（混合污水）——因为2号污水厂确实有30-50%的进水来自工业。不过这些数据只能解释变量的一小部分，而且要谨慎处理。 (这些主成份和整个系统的变异程度关系不大)
图4. PCA分析对丹麦和波兰污水厂的采样做的对比
测试样品的微生物种群都相当类似而且相对稳定，而且在波兰污水厂发现的特定菌属也能在丹麦污水厂找到。但是，丹麦污水厂的三种最具优势的菌种——四球虫属Tetrasphaera (生物除磷), 束毛球菌属Trichococcus (异养细菌) 和放线菌属(丝状异养细菌)，在波兰污水厂的丰度却非常低。
另一方面，波兰污水厂的蛋白菌Proteobacteria（主要参与COD和氮的去除）的丰度却很高，这与丹麦的情况很不一样。另外波兰污水厂的微生物群落多样性也低于丹麦，优势菌种的丰度却更高。
尽管30种丰度最高的细菌几乎都在丹麦圈定的核心群落里，那些不在名单上的菌种也是尤其重要性的。菌胶团(zoogloea)和反硝化菌参与淀粉样胶（amyloidadhesins）的形成相关，它们跟丰度对EPS胞外多聚物以及絮体的形成有重要意义。研究具体菌种的丰度能更好地解释污泥膨胀等运行问题，从而找到解决对策。
另外，他们在波兰污水厂里发现了更多的硝化螺菌属的‘comammox’ （COMplete AMMonia OXidizers） 和亚硝酸盐氧化菌NOBs(Candidatus Nitrotoga) 。这应该被纳入波兰污水厂的微生物核心群落。Alawi等人的研究曾显示Candidatus Nitrotoga 适于低温地区的环境。这些研究都有助科学家找到NOBs菌种的选择因素。
作者最后总结道，两国污水厂的细菌群落大致类似，但波兰污水厂的与脱氮和除COD相关的细菌的丰度更高，而丹麦污水厂的优势菌种则是聚磷菌PAO。波兰污水厂显出更强的季节性变化，但作者承认需要更频繁的样本量来确认这组观察结果是否正确。作者希望能对更多的波兰污水进行调查，从而帮助找到更多的显著菌种和辨析出波兰污水厂的核心群落，并最终改善污水厂的运行表现。
参考资料
A. Miłobędzka, A. Muszyński, Can DNA sequencing show differences between microbial communities in Polish and Danish wastewater treatment plants?, Water Science & Technology. Volume 76, Issue 8, DOI: 10.2166/wst.2017.015