Bioresource Technology | 固体废弃物分解过程中细菌群落结构和代谢功能的演替
推荐：江舜尧
编译：永稷
编辑：十九
中国科学院重庆绿色智能技术研究院环境微生物与生态研究中心的宋立岩研究员为通讯作者于2019年7月20日在生物资源技术期刊Bioresource Technology发表题目为《Succession of bacterial community structure and metabolic function during solid waste decomposition》的文章，该研究对微生物的群落组成和代谢功能在固体废弃物降解中的作用进行了深入的研究，为降解固体废弃物生物产品的研发奠定了理论基础。
文章摘要
研究背景：固体废弃物（Municipal solid waste, MSW）是由多种不可生物降解的物质和可生物降解的物质所组成。尽管已有学者对固体废弃物降解不同阶段的微生物群落结构进行了研究，但采用高通量测序技术和PICRUSt工具对固体废弃物降解过程中微生物的群落结构和代谢功能的研究仍处于空白。
方法：本文运用高通量测序和PICRUSt工具（一种基于16S rRNA基因序列预测微生物群落功能的工具），对固体废弃物降解过程中，细菌群落的结构组成和代谢功能进行了深入的研究。
结果：我们依据固体废弃物降解过程中的pH值和BOD5/COD比值（BOD: Biological Oxygen Demand, COD: Chemical Oxygen Demand），将固体废弃物降解过程分为需氧阶段（aerobic phase, AP）、厌氧酸阶段（anaerobic acid phase, ACP）和产甲烷阶段（methanogenic phase, MP）三个阶段。不同阶段细菌群落的丰度和多样性分析显示，ACP阶段的细菌群落丰度和多样性显著高于AP和MP阶段，说明更多的微生物群落参与厌氧酸阶段，从而将水解产物转化为甲烷代谢前体。门级水平上细菌分类组成的动态变化结果表明变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是三个阶段之间存在显著差异的主要类群。其中，从AP阶段到ACP阶段，变形菌门的丰度显著下降，而厚壁菌门和拟杆菌门的丰度显著增加。此外，不同阶段的理化参数的测定发现总氮含量（Total Nitrogen, TN）和PH值是不同阶段细菌群落演替的主要影响因素。值得注意的是，微生物氮循环是固体废弃物分解过程最重要的代谢循环之一，而硝化和反硝化作用又是氮循环的核心，故对固体废弃物降解过程中细菌群落氮循环的关键功能基因进行了预测。主要预测结果显示，关键功能基因氨单加氧酶（ammonia monooxygenase, amo）、硝酸盐还原酶（nitrate reductase, nar）、亚硝酸盐还原酶（nitrite reductase, nis）和一氧化二氮还原酶（nitrous oxide reductase, nos）图谱表明硝化作用主要发生在需氧阶段、反硝化作用主要发生在需氧阶段和产甲烷阶段之间。
结论：本文研究结果表明，固体废弃物降解的不同阶段细菌群落的结构组成和代谢功能存在差异，我们可通过调节降解过程中的理化参数对细菌群落结构组成进行调控，从而为可降解固体废弃物生物产品的研发奠定理论基础。
文章中重要图片说明
图1 | 固体废弃物样品的稀疏曲线以及细菌多样性。
图2 | 门级水平上细菌群落组成。
图3 | 固体废弃物降解响应中OTUs图谱和30个最大丰度OTUs。
图4 | 不同降解阶段细菌群落组成相似性以及细菌群落组成与其影响因素的关系。
图5 | 通过PICRUSt对细菌群落中功能群组相对丰度的预测。
图6 | 固体废弃物降解过程中与硝化作用和反硝化作用相关功能基因的相对丰度。
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