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污水“细菌吃细菌”|西湖大学鞠峰团队研究污水处理工艺中微生物食物网的新发现
学术研究
鞠峰实验室 工学院 2023年03月03日
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你可能知道噬菌体能吃细菌、原生生物能吃细菌,但你知道细菌也能吃掉细菌吗?能以其他细菌为食的细菌称为捕食性细菌。捕食性细菌于1941年首次被发现,目前已知的捕食性细菌主要分属于蛭弧菌Bdellovibrionota和粘细菌Myxococcota两个细菌门。尽管科学界已意识到捕食性细菌具有被用作“活体抗生素”的潜力,但相关研究还远远不如其他的功能微生物。其主要瓶颈是捕食性细菌,尤其是粘细菌,很难从环境中分离纯化。研究人员很难在实验室条件下培养出捕食性细菌,用以开展生理生化和生态学的实验,评估它们在环境中发挥的作用。

污水处理系统中捕食性细菌的存在及作用尚未引发关注。一直以来,人们对活性污泥中捕食性细菌的种类、捕食活性和生态功能知之甚少,基于捕食关系开发调控污水处理的新技术也因此受到限制。目前对活性污泥中捕食性细菌的认知,仅来源于少量蛭弧菌门的细菌菌株。而在实验室采用分离培养的方法能获得的环境细菌种类不足1%,活性污泥中捕食性细菌的多样性可能被远远低估了。

针对这一难题,西湖大学工学院鞠峰团队在不需要分离培养微生物的条件下,创新性地利用同位素标记猎物细菌,通过追踪同位素标记信号发现了活性污泥中存在着种类繁多、尚未实现人工培养的捕食性细菌,主要为粘细菌。研究团队进一步分析了本地和全球污水处理厂活性污泥微生物组,发现了粘细菌的广泛分布和极为丰富的物种资源。该成果以“Active Predation, Phylogenetic Diversity, and Global Prevalence of Myxobacteria in Wastewater Treatment Plants” 为题,于20232月在线发表于国际微生物生态学会会刊《The ISME Journal》。论文第一作者和通讯作者分别为西湖大学工学院助理研究员张璐、特聘研究员鞠峰,合作作者还包括博士生黄昕瑜和俄克拉荷马大学周集中教授。课题研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和浙江省科学技术厅的资助。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41396-023-01378-0

研究团队创新性地采用了稳定同位素探针技术(stable isotope probing, SIP),利用13C标记的猎物细菌(代表性肠道细菌大肠杆菌Escherichia. coli和脱氮功能细菌恶臭假单胞菌Pseudomonas. putida),原位识别活性污泥中的捕食性微生物(图1),发现了多种尚未培养的捕食性细菌。其中粘细菌,尤其是Haliangium属和mle1-27分支的粘细菌,是污水处理厂中最主要的捕食性细菌(图2),而不是目前仅有的从活性污泥中分离获得的蛭弧菌。

1 同位素标记实验设计与分析流程

研究还发现,不同于以纤毛虫为代表的捕食性原生生物(图2)能同时捕食E. coliP. putida部分捕食性细菌只在E.coli实验组中被标记,即表现出选择性的捕食或捕食偏好。选择性捕食为利用捕食性细菌定向调控微生物群落提供了基础。

2. 基于核糖体RNA13C-重组分中的富集判别的标记细菌和真核生物。蓝色框内的粘细菌(A)和纤毛虫类原生生物(B)分别代表了活性污泥中最重要的捕食性细菌和真核生物。

    既然粘细菌在实验室条件下的同位素标记实验中表现出更高的捕食活性,那么在实际污水处理厂的污泥中,它们是不是也比蛭弧菌更占优势呢?于是研究团队开始对本地污水处理厂好氧和厌氧池中的污泥开展长期的采样分析。结果表明,粘细菌的丰度(6.5±1.3%)是蛭弧菌(1.0±0.2%)的5.7倍(图3)。同位素标记实验中发现的主要捕食性细菌Haliangium属的相对丰度最高,为2.8±0.7%。另有7个粘细菌属的相对丰度>0.1%,包括实验中也被标记的未培养Polyangiaceaemle1-27分支。蛭弧菌门只有Bdellovibrio属和OM27分支相对丰度>0.1%(图3)。

3 本地污水处理厂污泥中的粘细菌和蛭弧菌

研究团队进一步对全球污水厂的微生物组数据集开展分析,发现粘细菌在全球活性污泥中广泛存在,而且粘细菌的丰度5.4±0.1%普遍高于蛭弧菌1.1±0.0%;图4A)。捕食性细菌的分布也存在一定的地域差异。值得注意的是,Haliangium属在全球范围仍是粘细菌门中丰度最高的属(2.4±0.1%),其次是mle1-27分支(0.5%±0.1%;图4B),这与本地污水处理厂的情况相似。此外,Haliangium属和mle1-27分支粘细菌与污染物(BODCOD、氨氮、总氮和总磷等)的去除率呈现出显著的相关性。生态系统中捕食者的下行控制(top-down control)能够直接或间接影响群落的动态变化,从而捕食性细菌既能直接去除污水中的有害细菌,又能通过缓解竞争压力等方式促进功能细菌对污染物的降解转化

4. 粘细菌和蛭弧菌在全球活性污泥中的分布和对污泥效能的潜在影响

研究团队利用稳定同位素探针技术,结合标记实验、本地污水厂的长期监测和全球数据集的深入分析,多尺度揭示了活性污泥中的捕食性细菌,尤其是粘细菌,这一以往被忽视的活性污泥关键组分的多样性和捕食活性。此研究进而拓展了关于活性污泥细菌之间捕食关系的认知,为利用捕食关系调控微生物组的工程应用提供了重要启示。

粘细菌是活性污泥中最重要的捕食性细菌,普遍存在于全球的污水厂中,包括大量尚未被培养的物种。事实上,粘细菌还是重要的药源微生物类群,能够产生丰富的次级代谢产物。环境中还未被培养的粘细菌物种和基因资源亟待挖掘,相信能为可持续的环境和人类健康贡献重要的价值。