광과립의 고해상도 기능 분석 및 커뮤니티 구조

ISME 저널 17권, 870~879페이지(2023)이 기사 인용

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광과립은 "통기 없는" 폐수 처리 가능성을 지닌 복잡한 광영양 생태계로 형성된 구형 집합체입니다. 시퀀싱 배치 반응기의 사진과립은 형광 현미경, 16S/18S rRNA 유전자 앰플리콘 시퀀싱, 마이크로센서, 안정 및 방사성 동위원소 인큐베이션을 통해 조사되어 과립의 구성, 영양분 분포, 빛, 탄소 및 질소 예산을 결정했습니다. 광과립은 생물학적 및 화학적으로 층화되었으며, 사상성 시아노박테리아는 개별 층에 배열되어 다른 유기체가 부착되는 비계를 형성했습니다. 산소, 질산염 및 빛의 변화도 감지되었습니다. 광합성 활동과 질산화는 주로 외부 500μm로 제한되었지만 광합성은 테스트된 산소 및 영양분(암모늄, 인산염, 아세트산염) 농도에 상대적으로 둔감한 반면 질산화는 매우 민감했습니다. 산소는 내부적으로 순환되었으며, 광합성을 통해 생산된 산소는 호기성 호흡과 질산화에 의해 빠르게 소모되었습니다. 산소 생산과 소비가 잘 균형을 이루었습니다. 마찬가지로 질소는 질산화와 탈질화의 쌍을 통해 순환되고, 탄소는 광합성과 호흡을 통해 교환됩니다. 우리의 연구 결과는 광과립이 여러 가지 영양 순환이 연결된 완전하고 복잡한 생태계이며 광과립 폐수 처리에 대한 엔지니어링 결정에 도움이 될 것임을 강조합니다.

폐수 처리 반응기는 미생물 군집의 기능적 특성을 지속적으로 선택합니다. 작동 조건을 조작하면 물을 정화하는 전환 과정과 미생물 바이오매스의 자가 응집을 포함하여 원하는 특성을 선택할 수 있습니다. 자가 응집(즉, 미생물의 구형 응집체인 생과립 형성)은 계층화(호소성 및 무산소 영역)를 가능하게 하고, 반응기 혼합이 중단되면 조밀한 응집체가 빠르게 가라앉기 때문에 바이오매스 수확을 촉진합니다. 일반적으로 생과립은 액체 체류 시간이 미생물의 배가 시간보다 짧은 반응기에서 형성됩니다. 이는 부유 세포를 씻어내고 바이오매스 보유를 위한 선택적인 압력을 생성합니다[1, 2]. 바이오과립에 응집된 바이오매스는 세포당 활성을 감소시키는 물질 전달 저항을 겪게 되지만, 효율적인 바이오매스 보유와 그에 따른 증가된 바이오매스는 바이오과립 반응기에서 크게 증가된 부피 전환율을 보장합니다.

광과립이라고 불리는 광영양 생체과립은 북해의 광합성 매트 배양에서 처음으로 관찰되었습니다[3]. 과립은 사상성 시아노박테리아, 규조류 및 종속영양세균으로 구성되었습니다. 구형 기하학은 광영양 공동체에서는 드물지만 자연에서 광과립의 몇 가지 예가 보고되었습니다. 예를 들어, 시아노박테리아와 극저온이라고 불리는 종속영양세균으로 구성된 광과립은 빙하에서 발견됩니다[4, 5]. 녹색 및 분홍색 미생물 "베리"는 염습지에서 발견되며, 이는 남세균과 규조류, 그리고 각각 황을 산화하는 보라색 유황 박테리아와 황을 환원하는 박테리아 군집의 공생을 통해 형성됩니다[6, 7].

광과립과 같은 자연의 광영양 생물막에서는 확산 제한으로 인해 다양한 용존 화학종(예: 산소, 기질)의 농도 구배가 형성됩니다. 마찬가지로, 빛의 강도 구배는 빛의 흡수와 산란에 의해 형성됩니다[8]. 이러한 교차 구배는 호기성 및 혐기성 대사를 나타내는 광독립 영양 생물, 화학 독립 영양 생물 및 종속 영양 생물과 같은 다양한 틈새를 채우는 다양한 미생물의 동시 성장을 지원할 수 있는 다양한 환경을 만듭니다[9]. 이러한 미생물 그룹 간의 복잡한 상호 작용이 발생하여 컨소시엄의 기능이 안정화될 수 있습니다[10]. 예를 들어, 종속영양생물은 광영양생물에 의해 배설된 세포외 유기 화합물에서 자랄 수 있습니다. 후자는 종속 영양 성장에서 생성된 무기 CO2를 고정할 수 있습니다. 질화제와 같은 호기성 화학독립영양생물은 광합성으로 강화된 산소 수준의 이점을 누리는 동시에 무기 탄소 및 질소에 대해 광영양생물과 경쟁할 수 있습니다. 생물막과 달리 광과립은 자유롭게 생활하기 때문에 바이오매스가 용기 표면적에 국한되지 않습니다. 더욱이, 구의 표면 대 부피 비율은 작은 구의 경우 동일한 부피의 평면보다 더 높은 바이오매스-물 교환 용량이 있도록 합니다. 이 관계는 구의 반경이 평면 두께의 1/3보다 작을 때까지 유지됩니다.

2.5 mm) photogranules, with cyanobacteria forming a layer close to the surface [19]. In our study we found that independent of photogranule size, the filamentous cyanobacteria were present throughout the whole photogranule. However, they showed different arrangements of the filaments from surface to centre. While the cyanobacterial filaments were densely packed and jumbled at the surface and centre, in the area in between they aligned themselves radially. One explanation for this phenomenon is the competition for space within the photogranule, as radially arranging the filaments would facilitate movement between regions with higher exposure to light (phototaxis) and higher levels of other substrates (chemotaxis) [43]. This would be especially useful to "pierce" through the thick shell of non-phototrophic organisms in the first 500 µm of the photogranule, the region with the highest light availability. Such radial movement was previously observed in biogranules derived from subcultures of microbial mats composed of cyanobacteria (Cephalotrix sp. formerly known as Phormidium sp.) diatoms and heterotrophic bacteria originating from the North Sea [3]. Their movement was shown to be triggered by light and substrates./p>

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