通过元基因组和元转录组分析反硝化反应器微生物群落降解喹啉的机制

喹啉等杂环芳香族化合物是工业废水中的难降解污染物。喹啉的反硝化降解具有较大应用潜力，但由于未能分离获得群落中优势反硝化喹啉降解细菌，对其生物学机制的研究进展缓慢，限制了该技术在工业化废水处理中的应用。本项目以一个实验室规模高效喹啉废水反硝化降解反应器为研究对象，采用454高通量测序分析技术建立反应器群落的元基因组参考序列集，分析群落的基因组成与功能潜势；通过对不同溶解氧浓度下反应器群落Solexa测序的元转录组的比较分析，依据在低溶解氧条件下相对高表达的序列及其特征，解析反应器微生物群落中的喹啉降解基因与代谢网络；根据元基因组和元转录组分析确定的降解基因序列设计基因扩增引物，定量分析喹啉降解基因在不同运行条件下的基因数量与表达量变化，揭示喹啉反硝化降解的生物学机制与群落的调控规律。本研究将为利用反硝化菌群进行喹啉等难降解污染物的工程处理提供理论支持，为最终推动处理技术的进步奠定基础。

喹啉的反硝化降解具有较大应用潜力，但由于未能分离获得群落中优势反硝化喹啉降解细菌，对其生物学机制的研究进展缓慢，限制了该技术在工业化废水处理中的应用。本项目以一个实验室规模高效喹啉废水反硝化降解反应器为研究对象，研究了其群落结构与碳氮比等条件的关系，解析了具有高效降解能力的最优条件下的菌群的结构组成。通过以454高通量测序分析技术对反应器群落的元基因组进行了深度测序，序列进行了群落的基因组成与功能潜势的分析。在反应器的元基因组中具有多样的反硝化基因和众多的芳香族化合物分解基因；还从反应器元基因组中拼接了一个反应器的最优势细菌Thauera属的基因组，对该菌的功能进行了初步预测，该菌具有反硝化能力和芳香族化合物分解能力。还通过对反应器群落在两种不同底物及饥饿状态下进行了元转录组Solexa测序数据的比较分析，找到了加喹啉培养条件下高表达的基因主要是氧化还原酶基因、反硝化基因和一些功能尚未注释的基因，如：来自Thauera属细菌的功能未知的基因Tmz1t_1458、Tmz1t_1262、Tmz1t_3613，这些基因可能参与喹啉的应激和降解。本项目还研究了Thauera属细菌的两种不同类型的反硝化基因nosZ，通过基因比较研究，认为两类基因的来源不同；还构建了该Thauera菌株的典型与非典型nosZ基因两个突变株，为进一步研究两种类型的nosZ基因的生态功能提供了材料。本研究提高了对反硝化菌群进行喹啉降解的机制的认识，为喹啉的反硝化降解应用奠定了基础。