基于多维组学技术解译厌氧氨氧化细菌对亚硝酸盐胁迫与分子氧胁迫响应的分子机制

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria possess great potential of removing nitrogen in the application of wastewater treatment. However, the lack of understanding of the physiological properties of the anammox bacteria has dragged their application ever since the discovery of these microorganism. Focusing on understanding of the molecular mechanisms in stress response under nitrite or oxygen conditions, this proposed study will discriminate the response mechanisms among various anammox species from multiple disciplines, e.g. genotype, gene expression pattern, cellular growth as well as population effect. Multi-omics methodology, including metagenomics, metatranscriptomics, stable isotope labeling will be used to achieve the main goals of this study. The outcomes from this study will include elucidating the variation of acclimatization of different anammox bacterial species in various conditions, constructing a comparative genomic database, and providing new insights in understanding the factors in controlling anammox system.

厌氧氨氧化细菌在水环保领域有巨大的应用前景，但对厌氧氨氧化细菌独特的生理特性的有限认识，阻碍着厌氧氨氧化细菌在环境工程中的广泛应用。本项目将着眼于研究不同种类的厌氧氨氧化细菌对常见胁迫条件（亚硝酸盐及分子氧胁迫）的应激反应及适应反应，以实验室内现有的多种不同种类的厌氧氨氧化细菌为研究模型，利用多维组学方法，包括宏基因组、宏转录组及稳定同位素标记技术，对研究模型的基因型、基因表达、个体生长、群体效应进行耦合分析，以期从分子水平上揭示不同厌氧氨氧化细菌在胁迫条件下响应及适应机制的异同，探究在富集体系内厌氧氨氧化细菌的多样性的形成条件及其机制，并以此为基础构建厌氧氨氧化细菌的比较基因组学数据库，为构建稳定的厌氧氨氧化富集体系提供科学依据。

厌氧氨氧化细菌是在污水处理过程中的应用潜力巨大一类细菌。理解厌氧氨氧化细菌的生态位的多样性及其在环境胁迫条件下的响应及相关的菌群互作机制，有利于环境工程研究者设计厌氧氨氧化工艺。本项目利用多种不同的反应器富集厌氧氨氧化群落，利用自我开发的一套的生物信息学宏基因组封箱分析算法（BASALT），获得在不同富集培养条件下共存的多种厌氧氨氧化基因组；通过以基因组分析为基础的种群结构解析，发现主要的厌氧氨氧化细菌在富集过程中的演替规律，提出厌氧氨氧化细菌、异化硝酸盐还原成铵细菌及反硝化细菌在群落中的互作平衡关系；并利用多组学联用技术，解译亚硝酸盐胁迫条件下的厌氧氨氧化细菌及相关菌群的应激反应机制差异，提出提升反应器效能的潜在方式。