行业应用｜基于超算的环境宏基因组数据分析平台

在解析锰氧化过程中，利用宏基因组分析平台，发现锰氧化过程和氨氧化过程存在耦合作用。锰氧化的过程中其实缺乏在湿地中的探索，我们在全国各个城市进行湿地样本收集。对根际土和非根际土进行宏基因组测序，以及常规的理化指标的测定。

可以看到，宏基因组的测序量大约是3.7个TB。19年底到20年上半年，我的整个服务器都在跑这个数据还没有跑完。在开发了基于超算的计算流程和计算软件后，两个月内完成了所有的计算任务。简单分享一下我计算的成果。

我发现在芦苇根际中锰氧化物的丰度含量比较高。锰氧化主要是微生物（介导）的，所以我就好奇这个过程中到底有没有锰氧化基因有一个富集呢。基因的丰度是通过宏基因测序，然后加上计算获得的。我在对它进行不同分类比较的时候发现，根际和非根际锰氧化基因的组成类型其实是不一样的，植物根际可以显著的富集几种类型的锰氧化基因。

除此之外，湿地植物的根际核心微生物和锰氧化的含量，有些微生物是和它呈正相关的，有些是呈负相关的。正负相关的这些微生物中，最明显的功能上的区别在于：正相关的这些微生物中有一部分是能够执行氨氧化过程的。同样的，在人工湿地中我们发现了锰氧化物和铁氧化物都是微生物群落结构关键的驱动因子，同时，锰氧化物的含量和氨氮浓度之间呈非常显著的正相关性。大家都知道氨氧化很大程度上是由微生物（介导）的，尤其是在人工湿地水处理的过程中。在锰的氧化过程中，锰氧化物起到了非常关键的作用。它们二者之间到底有没有比较强的关联性呢？在生物学角度，我们对锰氧化基因和氨氧化基因之间进行了线性的回归分析，分析发现它们两个之间有非常强的线性关系。是不是别的氮转化的过程也和锰氧化的基因有这样的相关性呢？我们把剩下的一些氮转化过程的关键基因与锰氧化基因进行了关联分析，发现除了氨氧化基因，别的氮转化基因并没有和锰氧化基因形成显著的线性相关性。

我们又通过自建amoA的数据库，把执行氨氧化过程的微生物分成氨氧化古菌、氨氧化细菌和完全氨氧化菌。通过比较分析，我们发现人工湿地中常规的水处理环境中，完全氨氧化菌的比重比较高，高于常规的氨氧化细菌，并且锰氧化基因的丰度也与完全氨氧化菌之间呈正相关性。

对环境的解析过程，最主要的目的之一是为了把它更好的应用于污染治理过程中，在河北省晋州市龙门村，我们搭建了一个人工湿地的中试装置。面向当地农村的生活污水，我们在一些人工湿地中人为的向其中加入锰砂，即锰氧化物。我们发现加入的这部分锰氧化物可以提升氨氮的去除负荷，同时amoA的丰度也是得到了非常强的提升。