基于荧光原位杂交技术的UASB颗粒污泥中苯酚降解微生物生态位分化研究丨Engineering
基于荧光原位杂交技术的UASB颗粒污泥中苯酚降解微生物生态位分化研究丨Engineering
engineering2015
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引言
日本东北大学的Kengo Kubota等研究人员利用荧光原位杂交（FISH）和克隆文库构建技术，研究了厌氧污泥床反应器处理含酚废水时所收获的颗粒的微生物群落结构。他们研究发现，互营杆菌（Syntrophorhabdaceae）和隐杆厌氧菌（ Cryptanaerobacter ）的克隆是苯酚降解的主要原因。为了准确地对隐杆厌氧菌的克隆进行分类归属，需要利用近全长的16S核糖体RNA（rRNA）基因序列进行进化分析。因此，本研究设计了三种寡核苷酸探针用于检测以下三个分类群：互营杆菌、隐杆厌氧菌和互养菌（ Syntrophus ）。研究结果显示，对厌氧颗粒薄片的FISH分析显示细菌和古菌呈随机分布；然而，互营杆菌、隐杆厌氧菌和互养菌分布明确。此外，在颗粒细胞的外层发现了隐杆厌氧菌和互养菌，两者关系密切，而互营杆菌则位于颗粒细胞的深层。细菌之间的代谢联系和对底物的亲和力很可能是造成这种特殊分布的原因。研究人员观察到颗粒污泥中苯酚的降解主要通过以下方式进行：首先，隐杆厌氧菌将苯酚转化为苯甲酸盐，然后被互养菌降解为乙酸盐。苯酚的这种互饲降解发生在颗粒表面附近，此处苯酚浓度较高。在苯酚浓度较低的颗粒深部，互营杆菌将苯酚降解为乙酸盐。结果表明，互营杆菌不太可能产生苯甲酸盐，并将其作为中间产物来喂养邻近的生物，这一点与以往研究所提出的理论相矛盾。
苯酚是一种用途广泛的重要工业化合物。因此， 苯酚也是树脂生产、煤炭气化、炼油、采矿等行业产生的废水中常见的污染物 。苯酚在水中的高溶解度增加了其流动性，并对环境造成了大范围的污染。因此 人们已经开发、试验和实施了几种技术来降解和去除各类废水中的苯酚。 苯酚的厌氧生物降解是一种有效的处理技术，该技术能够完全降解苯酚，能耗低，且具有产生生物能源（即甲烷气体）的潜力。利用厌氧微生物菌群降解苯酚已经被广泛研究，然而， 对于参与苯酚降解的微生物及其在分解中的作用缺乏系统研究 。
此外， 在已发表的研究中，没有明确的证据表明任何单纯培养的暗色厌氧肠状菌都能降解苯酚 。因此， 暗色厌氧肠状菌不太可能将苯酚转化为苯甲酸盐 。同时，互养棍状菌也不太可能为其他苯甲酸盐清除者生产苯甲酸盐，因为食芳香族物互养棍状菌将苯酚转化为苯甲酰辅酶A（CoA）是一个消耗三磷酸腺苷（ATP）的过程。食芳香族物互养棍状菌需要进一步降解苯甲酰辅酶A以获得能量。 这一推理 提出 了两个关键 问题 ： ① 如果互养棍状菌能够产生苯甲酸盐作为中间产物，然后苯甲酸盐被其他微生物消耗，那么在热力学上互养棍状菌如何从这个过程中受益? ② 如果互养微生物，如互养菌和暗色厌氧肠状菌不以互养棍状菌产生的中间产物为食，那么在苯酚降解菌群中，让它们保持丰度的主要底物是什么？为了回答这些问题， 日本东北大学的Kengo Kubota等研究人员研究了从处理苯酚的升流式厌氧污泥床（UASB）反应器中取样的颗粒污泥中的微生物群落结构。
本研究显示的生态位分化也显示了厌氧生物在苯酚降解中起着不同的作用 （图1）。有研究称，互营杆菌很可能是苯酚降解为苯甲酸盐过程中的关键微生物，其后由互养菌和暗色厌氧肠状菌进行苯甲酸盐的降解。但是，由于这样做对互营杆菌几乎没有益处，因此它不太可能总是生产苯甲酸盐作为中间产物来喂养其他微生物。荧光原位杂交的结果显示，互营杆菌本身存在于颗粒的较深部位，而不是与互养菌共存。这一发现表明，互营杆菌与颗粒中的互养菌不存在互养关系。另一方面，有报告表示低浓度苯酚的生物膜表面附近，互营杆菌和互养菌呈随机分布，表明不同的微生物之间的相互作用（与本文的研究结果相比）。微生物之间的相互作用可能受到几种不同环境因素的影响，如苯酚浓度、有机负荷、生物膜厚度等。
图1. 经苯酚处理的原位杂交颗粒切片。切片同时与细菌Eub338混合液（红色）和古菌Arc915混合液（蓝色）（a）杂交，或与以隐杆厌氧菌为靶向的Cph1269探针（绿色）、以互养菌为靶向的Syphu459L探针（红色）、以互营杆菌为靶向的Syha828探针（蓝色）（b）杂交。（c）、（d）为与三个探针（Cph1269、Syphu459L和Syha828）同时杂交的截面外部的放大图和更深部位的放大图。（a）、（b）比例尺代表200 µm；（c）、（d）比例尺代表20 µm。
本研究证明了将近全长的16S rRNA基因序列进行进化分析，对于正确鉴定隐杆厌氧菌的重要性，以便将其与暗色厌氧肠状菌进行区分。 以前的一些研究可能将隐杆厌氧菌误认为是苯酚降解菌群中的暗色厌氧肠状菌。 本研究辨别了负责降解苯酚的微生物，并指出了它们在厌氧颗粒生物膜环境中的作用。 最后， 本研究能够 回答 两个关键 问题 ： ① 互营杆菌通过将苯酚降解为乙酸盐而获得能量，不向邻近微生物提供苯甲酸盐； ② 互养菌从隐杆厌氧菌中获得苯甲酸盐作为主要底物。
关键词： 隐杆厌氧菌（ Cryptanaerobacter ）；荧光原位杂交；苯酚厌氧降解；互营杆菌（Syntrophorhabdaceae）；互养菌（ Syntrophus ）；升流式厌氧污泥床（UASB）颗粒污泥
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.05.012
以上内容来自：Kengo Kubota, Kei Igarashi, Masayoshi Yamada, Yasuyuki Takemura, Yu-You Li, Hideki Harada. Niche Differentiation of Phenol-Degrading Microorganisms in UASB Granular Sludge as Revealed by Fluorescence in situ Hybridization [J]. Engineering, 2022, 9(2): 61-66.
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