一种废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法及系统，该方法首先对目标反应器内的生物膜进行采样，并进行16S rRNA高通量测序和物种注释得到测序数据；然后对所述测序数据按照其系统发育性进行子群划分，在每个子群内根据β

【技术实现步骤摘要】
一种废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法和系统


[0001]本专利技术涉及生物膜法污水处理
，尤其是一种废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法和系统。

技术介绍

[0002]生物膜是污(废)水生物处理的主流工艺之一。功能菌群的定殖与稳定发育是保障生物膜工艺稳定高效运行的核心因素，并往往受到内源性(应激、降解能力等)与外源性(种间竞争、群体感应、生态漂变等)因子影响。定量化地综合分析和评价生物膜群落中核心物种的功能性和组装路径是实现当前污(废)水处理提标改造压力下生物膜工艺优化、升级与全过程控制的重要理论基础。
[0003]当前，随着高通量测序与生物信息学分析技术的飞速发展，功能菌群识别和分析技术已在多种污染生物治理工艺中取得相对成熟的成果，其常规方法一般是通过计算物种间相关性并对其在空间中的分布特征进行拓扑结构分析以获得群落中相关性枢纽的信息，计算复杂，评价系统不统一，同时，缺乏对群落功能系统性和核心物种定殖行为认知的共性缺陷使其在生物附着生长的复杂系统中应用受限。如中国专利CN 107533592A公开的一种微生物群落分析系统、判定系统、微生物群落分析方法及判定方法，其群落分析系统基于由输入单元所包含的活性污泥样品测序原始数据，计算组间相似度并形成各数据组在多维空间上的坐标并据此判定不同微生物在运行中的状态，该方法实现了相当程度的自动化，但评价体系缺乏统一性，且缺乏对群落内物种相关关系的量化表征，不适用于高度复杂的生物膜系统；中国专利CN108486238A公开的一种基于高通量测序的生物强化功能菌群解析方法，对膜生物反应器中驯化的悬浮污泥样本进行高通量测序，并将原始数据和与之对应监测水质数据进行时间序列的扩展局部相似性分析，计算基于归一化排序数据的同步和延迟的相关性产生相应相关系数，最后通过拓扑结构分析生物信息学分析获取功能菌群信息，该方法识别精度高，但采样频次高，识别计算流程复杂，且识别结果以分类学信息而非进化信息呈现，识别节点数量巨大的同时缺乏对系统发育性的认知，对复杂系统评估能力较弱。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种快速高效且适用性广的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，本专利技术的第二目的是提供一种快速高效且适用性广的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别系统，以解决现有技术中污(废)水处理生物膜工艺复杂群落中功能菌群系统性识别的不足的问题。
[0005]技术方案：本专利技术所述的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，包括如下步骤：
[0006](1)对目标反应器内的生物膜进行采样，并进行16S rRNA高通量测序和物种注释得到测序数据；
[0007](2)对所述测序数据按照其系统发育性进行子群划分，在每个子群内根据β
‑
NTI值
与样本丰度计算子群进化指数，在每个子群内根据RC
Bray
‑
Curtis
值与样本丰度计算子群扩散指数；
[0008](3)将所述进化指数和所述扩散指数的二维散点坐标进行极坐标变换，通过极径识别子群功能的稳定性，通过极角识别子群功能的类型。
[0009]进一步地，步骤(2)中所述进化指数X0的计算方法为：
[0010][0011]其中，m
k
为第k个子群中有效的样本配对数，f
i
、f
j
分别为在第k个子群中样本i、j的相对丰度，β
‑
NTI
i，j
为第k个子群中样本i、j间的β
‑
NTI值。
[0012][0013][0014]其中，β
‑
MNTD是发生在两个不同群落中的最近亲属间的丰度加权平均系统发育距离；β
‑
NTI是对样本中每个分类单元到最近分类单元的系统发育距离的标准化测度；n
k
为bin k中OTU的总数目；f
iA
、f
iB
分别为样本A、B中OTU
i
的相对丰度；min(Δi
A
j
B
)为群落A中的OTU
i
与群落B中所有OTU
j
之间的最小系统发育距离，min(Δi
B
j
A
)同理；β
‑
MNTD
obs
为样本中β
‑
MNTD的实际观测值；MNTD的实际观测值；分别为随机产生的群落零模型的β
‑
MNTD的样本期望值与标准差，优选地，产生1000个零模型以计算该样本期望值与标准差。
[0015]进一步地，步骤(2)中所述扩散指数Y0的计算方法为：
[0016][0017]其中，为k个子群中样本i、j间的RC
Bray
‑
Curtis
值。
[0018][0019][0020][0021]其中，D
Bray
‑
Curtis
为Bray
‑
Curtis距离，用于比较两个群落微生物的组成差异；RC
Bray
‑
Curtis
是观测Bray
‑
Curtis距离与零分布之间的标准化偏差；n
k
为bin k中OTU的总数目；分别为bin k中OTU
i
在A群落和B群落中的计数；为bin k中
OTU
i
在A群落和B群落中的最小计数；为样本中Bray
‑
Curtis距离的实际观测值；为第x组零模型中Bray
‑
Curtis距离值，零模型生成的具体方法为：在保证样点丰富度不变的条件下，根据占居表的概率选择出现的物种并根据丰度表的概率选择所出现物种的丰度，从而获得模拟条件下的模型；R
x
为记录小于实际观测值的零模型数目的计数变量；N为零模型生成总数，优选地，取N＝1000。
[0022]进一步地，步骤(3)中所述将所述进化指数和所述扩散指数的二维散点坐标进行极坐标变换包括如下步骤：
[0023]将所述进化指数除以进化程度的显著性判据得到标准化进化指数，将所述扩散指数除以扩散程度的显著性判据得到标准化扩散指数；
[0024]计算所述标准化进化指数与所述标准化扩散指数的二维散点坐标进行极坐标变换。
[0025][0026][0027]其中，X为标准化进化指数；Y为标准化扩散指数；a为进化程度的显著性判据，一般取值为1.96
‑
2.00；b为扩散程度的显著性判据，一般取值为0.93
‑
0.97。
[0028]进一步地，步骤(3)中所述通过极径识别子群功能的稳定性包括：
[0029]ρ≥1时，识别为子群功能发育稳定；0.75≤ρ<1时，识别为子群功能发育处于过渡态；ρ<0.7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对目标反应器内的生物膜进行采样，并进行16S rRNA高通量测序和物种注释得到测序数据；(2)对所述测序数据按照其系统发育性进行子群划分，在每个子群内根据β
‑
NT值与样本丰度计算子群进化指数，在每个子群内根据RC
Bray
‑
Curtis
值与样本丰度计算子群扩散指数；(3)将所述进化指数和所述扩散指数的二维散点坐标进行极坐标变换，通过极径识别子群功能的稳定性，通过极角识别子群功能的类型。2.根据权利要求1所述的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，其特征在于，步骤(2)中所述进化指数X0的计算方法为：其中，m
k
为第k个子群中有效的样本配对数，f
i
、f
j
分别为在第k个子群中样本i、j的相对丰度，β
‑
NTI
i,j
为第k个子群中样本i、j间的β
‑
NTI值。3.根据权利要求1所述的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，其特征在于，步骤(2)中所述扩散指数Y0的计算方法为：其中，m
k
为第k个子群中有效的样本配对数，f
i
、f
j
分别为在第k个子群中样本i、j的相对丰度，为k个子群中样本i、j间的RC
Bray
‑
Curtis
值。4.根据权利要求1所述的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，其特征在于，步骤(3)中所述将所述进化指数和所述扩散指数的二维散点坐标进行极坐标变换包括如下步骤：将所述进化指数除以进化程度的显著性判据得到标准化进化指数，将所述扩散指数除以扩散程度的显著性判据得到标准化扩散指数；计算所述标准化进化指数与所述标准化扩散指数的二维散点坐标进行极坐标变换。5.根据权利要求1所述的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，其特征在于，步骤(3)中所述通过极径识别子群功能的稳定性包括：ρ≥1时，识别为子群功能发育稳定；0.75≤ρ<1时，识别为子群功能发育处于过渡态；ρ<0.75时，识别为子群功能发育不稳定；其中ρ为极径。6.根据权利要求1所述的废水处理生物膜菌群稳定性及功能的识别方法，其特征在于，步骤(3)中所述通过极角识别子群...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄辉，孔博宁，赵颖，金丽丽，任洪强，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：