厌氧消化系统中OP9/WWE1门未培养微生物的可培养策略及功能解析

The anaerobic biological treatment of organic pollutants is accomplished by the cooperation of various microorganisms. Specialized and complex microbial communities and functions in anaerobic fermentation have been considered to be the "black box". We previously found that OP9, WWE1 and other phylm-level yet-uncultivated bacterial lineages were dominantly detected in methanogenic distillate treatment systems. We found propionate and amino acids could support the growth of WWE1, suggesting it might be a novel type of syntrophic propionate-oxidizing bacterium. However, their physioloy and function remain largely enigmatic due to a lack of cultivated representatives. In this project, the microbial structure and diversity in anaerobic lignocelluloses treating system will be studied through 16SrRNA gene analysis. The relationship among reactor operating conditions, microbial community structures and function will be revealed by molecular techniques. Cultivation-independent genomic approaches will be used to provide the phylogeny, conserved genomic features and metabolic potential of members of this ubiquitous candidate phyla. Isolation methods of key uncultured microbes will be studied based on the combination of traditional cultivation and molecular methods. Bioaugmentation technique based on microbial design and control will be developed, which will be beneficial for promoting the performance of anaerobic lignocellulosic biomass fermentation system. This study has theoretical and practical value for exploring anaerobic microbial resources and improving anaerobic digestion technology.

有机污染物的厌氧处理过程由多种微生物协同完成，微生物群落构成及功能一直被认为是“黑匣子”。前期工作中发现OP9、WWE1等未培养门水平微生物在酒糟厌氧消化体系中优势存在,并且发现丙酸和氨基酸可以支持WWE1门微生物生长，揭示了WWE1可能是新型厌氧互营丙酸氧化细菌，但由于没有模式菌株，其功能尚不清晰。通过本项目研究，进一步探明这类未培养微生物在厌氧系统中的多样性，考察发酵原料类型与微生物菌群间的响应关系；通过宏基因组学分析优势未培养微生物，获取关键基因信息，推测其代谢功能；利用寡营养培养法、共生培养法、环境模拟培养法等分离培养策略，探索未培养微生物的可培养方法；开发利用功能微生物的生物强化技术，建立强化微生物在反应器中优势生长的调控技术。本研究对于挖掘厌氧微生物资源和提高厌氧消化技术具有一定的理论意义和实际价值。

厌氧消化技术在有机废水、食品废弃物、养殖场粪便等易降解废弃物处理方面得到广泛应用，但是木质纤维素生物质还没有推广。由于厌氧降解过程复杂、参与的微生物种类众多，多数微生物的功能和作用尚不明确。本项目以作物秸秆及酒糟沼气工程为研究对象，富集培养重要功能微生物，利用关键功能菌对木质纤维素厌氧发酵过程进行生物强化，为沼气工程的稳定运行提供科学依据。（1）研究了秸秆、酒糟等发酵原料的厌氧代谢过程，发现沼液对玉米秸秆、酒糟具有较高的总固体去除率及甲烷产率，说明以玉米秸秆及酒糟为原料进行沼气发酵具有很大的应用潜力。在厌氧降解过程中挥发性有机酸为主要的中间产物，确定了芳香族化合物是木质纤维素生物质厌氧降解过程的另一类重要中间产物，其类型和浓度与物料类型有关。利用高通量测序技术考察优势微生物组成，发现厚壁菌门和拟杆菌门微生物占绝对优势，掌握了重要菌群的信息；（2）建立了木质纤维素厌氧降解过程中间代谢产物挥发性脂肪酸及芳香族化合物同时测定的气相色谱法；（3）进行了木质纤维素降解各阶段主要厌氧功能菌的富集培养及特性分析。以纤维素、糖类、丙酸、苯酚及甲酚等主要中间代谢产物作为唯一碳源，进行了木质纤维素降解各阶段主要厌氧功能菌的富集培养，获得了功能菌，完成了糖类降解菌及酚类降解菌的基因组草图；（4）丙酸、苯甲酸、苯酚是苯系物及木质纤维素类废弃物厌氧代谢过程中的重要中间产物。有机酸及芳香族化合物厌氧降解产甲烷效率取决于微生物的种间直接电子传递能力。纳米材料比表面积高，具有很强的吸附电子能力，作为电子导体可以激发微生物之间的种间直接电子传递过程。研究发现微生物可通过纳米导线将电子从细胞表面转移到电子受体，从而提高种间电子传递效率。本项目研究了铁基纳米材料和外源电子穿梭体L-半胱氨酸对厌氧消化系统中中间代谢产物丙酸、安息香酸及苯酚等芳香族化合物厌氧互营降解产甲烷过程及微生物群落的影响；（5）沼气发酵生物强化技术的开发。木质素的有效降解是提高秸秆等木质纤维素原料沼气发酵效率的有效途径。木质素很难被厌氧微生物分解利用，然而最近研究表明木质素可以经由苯甲酸、苯酚等芳香族化合物被微生物分解利用。本项目利用分离的厌氧互营苯甲酸降解菌Sporotomaculum syntrophicum 作为强化菌株提高玉米秸秆厌氧消化过程及甲烷产量。