Greatlion的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/Greatlion

博文

污染物处理微生物群落的元基因组学分析

已有 3679 次阅读 2011-4-24 22:58 |系统分类:观点评述|关键词:基因组,微生物,污染物| 基因组, 微生物, 污染物

    焦化化工和石油化工等工业生产过程产生大量的含多环、杂环芳香族化合物的废水,这类废水在我国工业废水中占有很高的比例。虽然废水经处理后出水的COD含量已降到较低水平,但是其中的部分难降解化合物却难以去除,如喹啉等,它们仍造成很大环境危害。近年来,随着对工厂废水排放标准的提高和节约水资源的要求,加强废水深度处理和回用已成为当务之急。常用的深度处理以物理和化学法为主,也有尝试好氧微生物进行生物法处理的(Wenzel et al.,2008)。但目前的深度处理成本较高,且常难以达到高水质回用要求。对低COD难降解废水采用微生物反硝化法进行深度处理的技术有可能在这一领域发挥重要作用。

喹啉的降解研究已有近四十年的历史,但是绝大多数都是基于好氧微生物的降解及降解菌的研究好氧降解过程消耗大量的能源,而且设施占地面积大,而使处理成本较高。Johansen 等于1997年首次报道了以混合菌群对喹啉、异喹啉、甲基喹啉进行反硝化降解,并通过代谢物测定分析了降解途径。同济大学李咏梅等也从环境化学的角度描述了喹啉的缺氧反硝化降解,通过驯化的活性污泥研究了对喹啉类化合物反硝化降解的适宜碳氮比,并测定了代谢途径的中间代谢物。这些研究表明微生物群落可以有效进行喹啉的反硝化降解。但是, 由于没有分离到喹啉的反硝化降解的细菌菌株,相关的微生物降解基因及降解的生物学机制很少有研究。因此,有必要进一步深入研究喹啉的反硝化降解菌群,了解高效菌群适应低COD毒性喹啉化合物的机制以及喹啉降解的群落生态学,以更好地利用这种高效菌群为解决喹啉等难降解化合物的污染问题服务。

在前期国家自然科学基金的资助下,我们已先后建立了两个实验室规模的固定生物膜连续流反硝化喹啉降解反应器,通过对反应器的驯化,获得了反硝化条件下高效的喹啉降解能力,对1mM人工合成喹啉废水的喹啉去除率达90%以上,降解速率达到0.1 mmol×L-1×h-1。采用16S rRNA基因克隆文库法和焦磷酸高通量测序法分析了该高效喹啉降解微生物群落的结构,发现具有较高的微生物多样性,而且Thauera属细菌在反应器细菌群落中的丰度高于50% (Liu et al.,2006Mao et al2008)。近年来的研究也不断发现Thauera属细菌在很多类型废水处理中是主要的降解菌,它们对芳香族化合物和卤代化合物普遍具有良好的反硝化降解能力。因此, 推测该属的细菌可能在喹啉等杂环难降解芳香族化合物的反硝化降解过程中发挥着重要的作用。为此,我们从构建的反应器中进行了细菌分离,获得了一批细菌菌株(洪璇等,2008;仲汇慧等,2010),其中也包括3Thauera属细菌(Mao et al., 2010; 毛跃建等,2008)和一些可好氧降解喹啉的菌株。但群落中丰度最高的Thauera菌株却无法得到分离,并且,分离的菌株均不能在反硝化条件下以喹啉为唯一碳源进行降解。反应器中喹啉的反硝化降解可能是由仍无法分离的优势Thauera菌株完成,或者也可能是群落内多个菌株通过代谢网络共同完成了喹啉的降解。在这种情况下,用传统的纯菌研究的技术方法无法阐明喹啉反硝化降解的机制。

新一代测序技术为微生物学的研究带来了新的曙光。元基因组学(Metagenomics)研究在高通量测序技术的协助下,为我们认识复杂的微生物群落打开了一扇大门,特别是最近对元基因组海量数据进行快速分析和功能注释的方法取得积极进展。深圳华大Qin等通过对124位欧洲人的肠道微生物组的solexa高通量测序分析(576.7 Gb测序量),为我们揭示了人类肠道菌群的组成与代谢潜能Hess等(2011)对牛胃的微生物群落以solexa进行了深度元基因组测序,通过拼接和比对获得了27755个与碳水化合物代谢相关的基因,对部分预测的基因进行了功能验证,表明很高比例的基因是与纤维素降解相关的。Lucker等(2010)对一个富集后Nitrospira占到群落内细菌总数86%的微生物群落的元基因组进行了测序分析, 拼接出废水处理相关微生物群落中无法分离的Nitrospira细菌的全基因组序列,并以此为基础,对Nitrospira细菌的代谢功能进行了详细分析,揭示了该菌在反应器群落氮循环中的作用机制。Snapareddy等(2009)对一个城市污水处理厂的样品的元基因组进行了分析,以获得的91Mbp序列预测的群落主要功能类型与反应器的功能间较好吻合。这些研究说明元基因组学分析可以揭示群落的功能基因、分析群落的功能潜势。然而,元基因组中的很多基因在群落中并不表达,因此,基因的组成并不一定代表该群落具有这些基因的所有功能。元基因组的表达谱,即元转录组(metatranscriptome)可以更直接反映群落在降解喹啉过程中执行关键功能的基因与代谢网络。Shi等(2011)对四个海水样品中进行了元基因组和元转录组学分析,共获得38M bp的元转录组序列和157M bp的元基因组序列数据,通过对这些序列的分类学分析发现,部分样品的元基因组的分类组成与元转录组的分类组成差异较大。Stewart等(2011)分析了南太平洋海水样品的元转录组,从获得的18-55万条序列中鉴定了不同的代谢功能,如硝化、反硝化、厌氧氨氧化等,发现不同深度样品群落中专一性的基因表达,并可鉴别功能菌群。这些工作表明微生物分子生态学迎来了新的技术革命,通过对元基因组和元转录组的高通量测序分析,可以揭示复杂微生物群落(包括废水处理微生物群落)的代谢基因、代谢通路(网络),从而使我们了解微生物群落的代谢机制。这些技术已开始在健康、能源等领域的研究中得到迅速推广。在环境研究领域的应用还刚刚起步,但它必将会在废水处理等微生物群落功能机制的研究方面发挥出重要的作用。




http://blog.sciencenet.cn/blog-41454-436931.html

上一篇:新一代高通量测序技术推动微生物群落研究的发展
下一篇:细菌可用其菌毛清除铀污染

0

发表评论 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-9-21 15:26

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部