The Innovation | 多组学助力污染物降解微生物的分离与培养

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导 读

环境微生物无处不在，但90%以上的微生物仍难培养或不可培养。近年来，随着高通量组学技术的发展，在原位污染环境样本中发现了越来越多的不可培养或难培养微生物。然而，微生物的无法培养严重限制了其生理功能及应用转化研究，也阻碍了环境生物修复、污染物降解等相关研究的发展。本研究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关键微生物进行筛选与分离，得到一株具有有机卤化物脱卤能力的微杆菌Microbacterium sp. J1-1，为后续污染物降解关键微生物资源库的拓展提供方法和基础（图1）。

图1 图文摘要

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，而在工业废弃物处理单元（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。

图2 工业皂化废水生物处理工艺流程与研究路线示意图

本研究针对工业皂化废水生物处理工艺（图2A）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Proteobacteria和Patescibacteria在皂化废水处理全程皆为主要优势微生物（图3A），共六类微生物(Rhizobiales, Rhodobacteraceae, Rhodospirillales, Flavobacteriales, Micrococcales, Saccharimonadales)在关键处理阶段（曝气池和接触氧化池）具有明显的物种丰度差异，可作为潜在的生物标记物（图3D）。

图3 工业皂化废水生物处理工艺的微生物群落组成

随后，研究人员对不同处理阶段的微生物样本进行宏基因组测序，利用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。共获得94个MAGs（图4A），其中42个MAGs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。主要有七类微生物(Rhizobiaceae, Rhodobacteraceae, Rhodospirillales, Micrococcales, Sphingomonadales, Chloroflexia, Burkholderiales)具有潜在水解脱卤酶，可作为候选功能微生物进行下一步研究（图4B）。

图4 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分离与培养（图5），以寡营养培养基（如无机盐培养基、人工海水培养基等）作为初始培养基，基于原位环境的理化条件调整初始培养基与对应培养条件，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）、样本代谢物（代谢组）等多组学分析结果，针对功能微生物MAGs设计培养基方案（如生长因子、抗生素等），根据污染物降解基因对应的潜在底物作为培养基碳源，辅助功能微生物的生长与分离。

图5 多组学辅助指导环境微生物培养策略示意图

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，而进一步的单菌基因组测序与功能测试表明，该菌具有多种水解脱卤酶和降解氯醇类底物的能力（图6），可用于后续工业皂化废水处理。

图6 有机卤化物脱卤菌Microbacterium sp. J1-1

总结与展望

随着测序、检测技术的发展及成本的降低，微生物组学研究逐渐从单一组学技术研究转变为多组学技术联合研究。在未来，微生物群落水平的宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组和代谢组的多组学联合分析将为研究人员带来多维度和更全面的信息，不仅有助于微生物及功能基因资源库的挖掘与拓展，也为后续环境修复、污染物降解乃至微生物组工程研究的发展提供支撑。

责任编辑

凌   飞    西北农林科技大学

谭又华    香港理工大学

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

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Report发表的“Community-integrated multi-omics facilitates screening and isolation of the organohalide dehalogenation microorganism” (投稿: 2022-04-03；接收: 2022-11-17；在线刊出: 2022-11-21)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100355

引用格式：Huang Y., Wen L., Zhang L., et al. (2022). Community-integrated multi-omics facilitates screening and isolation of the organohalide dehalogenation microorganism. The Innovation. 4(1),100355.

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