基于高通量测序的耦合废水处理与产电的微生物群落与功能研究

Microbial fuel cell (MFC) and the MFC-based environmental bio-electrochemical systems (MXC)， which can simultaneously treat wastewater and recycle electrical energy, have broad application prospects in treatinging wastewater with high efficiencies, low energy consumption and resource recycled. However, that researchers have limited knowledge on the community structure and microbial functions of exoelectrogenic microbes is not conducive to its further development and application. High-throughput sequencing techniques, such as 454 sequencing and Solexa sequencing, are very new DNA sequencing technology, and they can quickly produce a large amounts of biological data. In this project, firstly we will deeply investigate the community structure of exoelectrogenic microorganisms in different MXC by 454 sequencing and explore the functions of primary and trace microorganisms. Then, we will design specific primers to screening several important strains, identify them with rDNA sequences comparison and physiological biochemical test, evaluate their electrochemical activities. Lastly, we will clarify how each cultured strain's metabolism, exoelectrogenic ability and transcription activity respond to the different culture conditions by combining the Solexa sequencing, electrochemical techniques, molecular techniques and chemical analysis. All in all, the object of this study is to build a method system combining 454 sequencing, Solexa sequencing and other techniques, and sequentially to investigate the community and function of exoelectrogenic microbes. The results of this project will also provide more basic data for enhancing the ability in electricity output and improving the efficiency in wastewater treatment.

微生物燃料电池（MFC）及以其为基础的环境生物电化学体系（MXC）能同步处理废水和回收电能，在高效、低耗、资源化处理废水方面具有广阔的应用前景，但目前研究者在产电微生物的群落结构、种群功能等方面认识的不足阻碍了其进一步发展。454测序、Solexa测序等高通量测序是近年来兴起的DNA测序新技术，能快速获得大量生物学信息。本研究拟以454测序深度解析不同MXC中产电微生物群落结构；根据微生物群落信息设计特异引物定向筛选和鉴定常见产电功能菌株，检测其电化学活性，分析其降解污染物的过程；以Solexa测序结合电化学、化学分析、定量RT-PCR等技术阐明菌株的产电与污染物降解活性对环境因素的响应规律，从而构建起高通量测序与其他技术有机结合研究产电微生物群落与功能的方法体系，阐述MXC产电微生物的群落与功能对环境因素的响应规律，并为其产电性能与废水处理效率的提高提供更多理论支撑。

随着生物电化学技术的兴起，其环境功能的拓展也越来越多。微生物作为生物电化学系统的主角，其与生物电化学系统的环境学功能有着紧密联系，了解其中的微生物对促进生物电化学系统的机理研究与应用具有重要作用。本项目主要通过二代高通量测序平台，结合生物信息挖掘，研究功能生物电化学系统的生物膜微生物群落系统，同时从生物电化学系统和现有菌种库中获得了纯菌株进行了其电化学表征，对基于高通量测序的微生物生态学结果进行验证。本项目主要利用454焦磷酸测序技术，探索了硫酸盐去除生物电化学系统在不同pH条件下生物膜的群落特征，发现在碱性条件生物电化学系统中的Desulfomicrobium促进硫酸盐去除，而Sulfuricurvum不利于去除硫酸盐，在中性和酸性条件下，Desulfovibrio促进硫酸盐去除，Thiomonas削弱了硫酸盐去除效果；454测序结果显示反硝化生物阴极中29个主要的OTUs主导了反硝化生物膜微生物群落，自养反硝化菌和异养反硝化菌在生物阴极的硝酸盐去除过程中起到了重要作用；高通量测序解析了阳极铵态氮去除生物协作群落，电化学活性微生物促进生物膜菌群电子传递，提升了微生物氧化还原代谢的协作能力；使用随机选择的不用来源的生物电化学系统，对其阳极电化学生物膜多样性进行了解析，获得了Azospira, Azospirillum, Acinetobacter, Bacteroides, Geobacter, Pseudomonas 和 Rhodopseudomonas 等6个核心属，同时总结出了25个核心OTU，在此基础上对2个分别与属于Stappia indica 和Acinetobacter guillouiae的核心OTU进行了电化学测试，并证明它们具有电化学活性；通过分离培养技术，获得了多株具有电化学活性的细菌和真菌，并初步对其电化学特性进行了表征，表明黄素类物质是这些电化学活性微生物共同的进行胞外电子传递的机制之一；此外还综述了到已发现的、可纯培养的电化学活性微生物及其分离纯化与电化学表征的方法。通过本研究，使我们对生物电化学系统中的微生物群落结构及其与污染物转化的关系有了较清晰的认识，为生物电化学系统的深入研究、广泛应用提供了一定的理论支撑。