基于熒光原位雜交技術(shù)的UASB顆粒污泥中苯酚降解微生物生態(tài)位分化研究丨Engineering
基于熒光原位雜交技術(shù)的UASB顆粒污泥中苯酚降解微生物生態(tài)位分化研究丨Engineering
engineering2015
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引言
日本東北大學(xué)的Kengo Kubota等研究人員利用熒光原位雜交（FISH）和克隆文庫構(gòu)建技術(shù)，研究了厭氧污泥床反應(yīng)器處理含酚廢水時所收獲的顆粒的微生物群落結(jié)構(gòu)。他們研究發(fā)現(xiàn)，互營桿菌（Syntrophorhabdaceae）和隱桿厭氧菌（ Cryptanaerobacter ）的克隆是苯酚降解的主要原因。為了準(zhǔn)確地對隱桿厭氧菌的克隆進(jìn)行分類歸屬，需要利用近全長的16S核糖體RNA（rRNA）基因序列進(jìn)行進(jìn)化分析。因此，本研究設(shè)計了三種寡核苷酸探針用于檢測以下三個分類群：互營桿菌、隱桿厭氧菌和互養(yǎng)菌（ Syntrophus ）。研究結(jié)果顯示，對厭氧顆粒薄片的FISH分析顯示細(xì)菌和古菌呈隨機(jī)分布；然而，互營桿菌、隱桿厭氧菌和互養(yǎng)菌分布明確。此外，在顆粒細(xì)胞的外層發(fā)現(xiàn)了隱桿厭氧菌和互養(yǎng)菌，兩者關(guān)系密切，而互營桿菌則位于顆粒細(xì)胞的深層。細(xì)菌之間的代謝聯(lián)系和對底物的親和力很可能是造成這種特殊分布的原因。研究人員觀察到顆粒污泥中苯酚的降解主要通過以下方式進(jìn)行：首先，隱桿厭氧菌將苯酚轉(zhuǎn)化為苯甲酸鹽，然后被互養(yǎng)菌降解為乙酸鹽。苯酚的這種互飼降解發(fā)生在顆粒表面附近，此處苯酚濃度較高。在苯酚濃度較低的顆粒深部，互營桿菌將苯酚降解為乙酸鹽。結(jié)果表明，互營桿菌不太可能產(chǎn)生苯甲酸鹽，并將其作為中間產(chǎn)物來喂養(yǎng)鄰近的生物，這一點(diǎn)與以往研究所提出的理論相矛盾。
苯酚是一種用途廣泛的重要工業(yè)化合物。因此， 苯酚也是樹脂生產(chǎn)、煤炭氣化、煉油、采礦等行業(yè)產(chǎn)生的廢水中常見的污染物 。苯酚在水中的高溶解度增加了其流動性，并對環(huán)境造成了大范圍的污染。因此 人們已經(jīng)開發(fā)、試驗(yàn)和實(shí)施了幾種技術(shù)來降解和去除各類廢水中的苯酚。 苯酚的厭氧生物降解是一種有效的處理技術(shù)，該技術(shù)能夠完全降解苯酚，能耗低，且具有產(chǎn)生生物能源（即甲烷氣體）的潛力。利用厭氧微生物菌群降解苯酚已經(jīng)被廣泛研究，然而， 對于參與苯酚降解的微生物及其在分解中的作用缺乏系統(tǒng)研究 。
此外， 在已發(fā)表的研究中，沒有明確的證據(jù)表明任何單純培養(yǎng)的暗色厭氧腸狀菌都能降解苯酚 。因此， 暗色厭氧腸狀菌不太可能將苯酚轉(zhuǎn)化為苯甲酸鹽 。同時，互養(yǎng)棍狀菌也不太可能為其他苯甲酸鹽清除者生產(chǎn)苯甲酸鹽，因?yàn)槭撤枷阕逦锘ヰB(yǎng)棍狀菌將苯酚轉(zhuǎn)化為苯甲酰輔酶A（CoA）是一個消耗三磷酸腺苷（ATP）的過程。食芳香族物互養(yǎng)棍狀菌需要進(jìn)一步降解苯甲酰輔酶A以獲得能量。 這一推理 提出 了兩個關(guān)鍵 問題 ： ① 如果互養(yǎng)棍狀菌能夠產(chǎn)生苯甲酸鹽作為中間產(chǎn)物，然后苯甲酸鹽被其他微生物消耗，那么在熱力學(xué)上互養(yǎng)棍狀菌如何從這個過程中受益? ② 如果互養(yǎng)微生物，如互養(yǎng)菌和暗色厭氧腸狀菌不以互養(yǎng)棍狀菌產(chǎn)生的中間產(chǎn)物為食，那么在苯酚降解菌群中，讓它們保持豐度的主要底物是什么？為了回答這些問題， 日本東北大學(xué)的Kengo Kubota等研究人員研究了從處理苯酚的升流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器中取樣的顆粒污泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)。
本研究顯示的生態(tài)位分化也顯示了厭氧生物在苯酚降解中起著不同的作用 （圖1）。有研究稱，互營桿菌很可能是苯酚降解為苯甲酸鹽過程中的關(guān)鍵微生物，其后由互養(yǎng)菌和暗色厭氧腸狀菌進(jìn)行苯甲酸鹽的降解。但是，由于這樣做對互營桿菌幾乎沒有益處，因此它不太可能總是生產(chǎn)苯甲酸鹽作為中間產(chǎn)物來喂養(yǎng)其他微生物。熒光原位雜交的結(jié)果顯示，互營桿菌本身存在于顆粒的較深部位，而不是與互養(yǎng)菌共存。這一發(fā)現(xiàn)表明，互營桿菌與顆粒中的互養(yǎng)菌不存在互養(yǎng)關(guān)系。另一方面，有報告表示低濃度苯酚的生物膜表面附近，互營桿菌和互養(yǎng)菌呈隨機(jī)分布，表明不同的微生物之間的相互作用（與本文的研究結(jié)果相比）。微生物之間的相互作用可能受到幾種不同環(huán)境因素的影響，如苯酚濃度、有機(jī)負(fù)荷、生物膜厚度等。
圖1. 經(jīng)苯酚處理的原位雜交顆粒切片。切片同時與細(xì)菌Eub338混合液（紅色）和古菌Arc915混合液（藍(lán)色）（a）雜交，或與以隱桿厭氧菌為靶向的Cph1269探針（綠色）、以互養(yǎng)菌為靶向的Syphu459L探針（紅色）、以互營桿菌為靶向的Syha828探針（藍(lán)色）（b）雜交。（c）、（d）為與三個探針（Cph1269、Syphu459L和Syha828）同時雜交的截面外部的放大圖和更深部位的放大圖。（a）、（b）比例尺代表200 μm；（c）、（d）比例尺代表20 μm。
本研究證明了將近全長的16S rRNA基因序列進(jìn)行進(jìn)化分析，對于正確鑒定隱桿厭氧菌的重要性，以便將其與暗色厭氧腸狀菌進(jìn)行區(qū)分。 以前的一些研究可能將隱桿厭氧菌誤認(rèn)為是苯酚降解菌群中的暗色厭氧腸狀菌。 本研究辨別了負(fù)責(zé)降解苯酚的微生物，并指出了它們在厭氧顆粒生物膜環(huán)境中的作用。 最后， 本研究能夠 回答 兩個關(guān)鍵 問題 ： ① 互營桿菌通過將苯酚降解為乙酸鹽而獲得能量，不向鄰近微生物提供苯甲酸鹽； ② 互養(yǎng)菌從隱桿厭氧菌中獲得苯甲酸鹽作為主要底物。
關(guān)鍵詞： 隱桿厭氧菌（ Cryptanaerobacter ）；熒光原位雜交；苯酚厭氧降解；互營桿菌（Syntrophorhabdaceae）；互養(yǎng)菌（ Syntrophus ）；升流式厭氧污泥床（UASB）顆粒污泥
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原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.05.012
以上內(nèi)容來自：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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