上海交大唐鸿志课题组基于多组学微生物培养策略成功分离皂化废水处理中的难培养关键微生物
发布时间 :2022-12-13  阅读次数 :528

近日,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室唐鸿志教授在Cell Press期刊《The Innovation》在线发表了题为“Community-integrated multi-omics facilitates screening and isolation of the organohalide dehalogenation microorganism”的研究论文,通过组学技术多维度分析工业废水处理中关键微生物的功能潜力及潜在需求,并对辅助污染物降解的难培养关键微生物进行筛选与分离,为后续污染物降解关键微生物资源库的拓展提供基础。生命科学技术学院博士生黄逸群为第一作者,唐鸿志教授为通讯作者。

自然环境中绝大部分微生物尚无法复苏、分离和培养,典型限制因素包括代谢需求未知(营养成分)、生理状态不明(休眠状态)、物种丰度低等,而在工业危化品处理单元(如活性污泥、生物膜等)或原位污染环境中的土著微生物群落中常发现具有一定污染物耐受能力的菌株,其中一部分可利用污染物作为碳氮源进行脱毒或降解。近年来,组学技术(如扩增子分析、宏基因组等)的发展使得基于微生物群落水平研究污染物降解和生态修复成为可能,其中宏基因组分箱工具可基于碎片化的测序结果来组装环境微生物群落中微生物的基因组草图,为研究人员能够在免培养的条件下对微生物的物种丰度、代谢生理等进行预估和分析,为发现“隐藏”在复杂环境微生物群落黑箱中的污染物降解关键菌株提供依据。

本研究针对工业皂化废水生物处理工艺的微生物群落,首先进行扩增子测序分析挖掘不同阶段活性污泥中的优势微生物。研究发现ProteobacteriaPatescibacteria在皂化废水处理全程为优势微生物(图1)。利用宏基因组分箱技术对关键处理阶段(曝气池和接触氧化池)进行宏基因组装基因组(Metagenome assembled genomes,MAGs)的构建,并基于组装基因组的完整度和污染度进行筛选。其中42个MAG通过功能注释分析发现具有潜在水解脱卤酶,其中Proteobacteria相关的MAGs占比较高,表明该类微生物可能在污水有机卤化物的降解中起到重要作用(图2)。

图1 工业皂化废水生物处理工艺的微生物群落组成

图2 工业皂化废水微生物MAGs进化树与功能基因分布图

研究人员采用多组学技术指导污染物降解微生物培养,以寡营养培养基作为初始培养基,基于原位环境的理化条件调整培养条件,结合生物标记物(扩增子测序)、基因组功能信息(宏基因组测序)等分析结果,针对功能微生物MAGs设计培养基方案,根据污染物降解基因对应的潜在底物作为培养基碳源,辅助待培养功能微生物的生长与分离(图3)。基于该策略,研究人员分离得到一株有机卤化物脱卤菌Microbacterium sp. J1-1,是多组学分析中生物标记物和候选功能微生物类别Micrococcales的一员,该菌具有多种潜在水解脱卤酶和降解氯醇类底物的能力,可用于后续工业皂化废水处理。

图3 多组学辅助指导环境微生物培养策略示意图

以上工作受到了科技部国家重点研发计划(2021YFA0909500)、国家自然基金(32030004)、上海市优秀学术带头人计划(20XD1421900)、上海市教育发展基金会与上海市教育委员会“曙光”计划(17SG09)等项目的支持。

 

论文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00151-5