厌氧氨氧化菌群微尺度空间结构及菌群互作研究

Microbial interaction is a key driving force in shaping community composition and nitrogen removal performance of anammox system. Hence, insight into the mechanism of metabolic interaction within anammox enrichment is helpful to improve the nitrogen removal performance of anammox system by regulating microbial interaction networks..Generally, microorganisms that exploit interspecific interaction often co-aggregate, that is, microbial interaction take place within microscale aggregates (~100 µm). Within these local patches, cell-cell distances are short enough for diffusible metabolites to reach neighboring cells, which can directly influence community structure, dynamic and metabolic activity. Hence, to truly understand the microbial interaction networks, it is necessary to study microscale spatial organization of microbial community..The integrated flow cytometry and single-cell sequencing analyses can be a promising approach to study microscale spatial organization of microbial consortia with enough throughput and high stability. Hence, our study is intended to study the microscale spatial organization and metabolic interaction networks within anammox consortia using the integrated fluorescence-activated cell sorting (FACS) and 10x Genomics methods. Our study will shed light on the microbiological mechanism of metabolic interaction within anammox consortia, which will facilitate us understanding the influences of metabolic interaction on anammox bacterial metabolism and function, and provide us a reliable theoretical basis for improving the nitrogen removal performance of anammox system by artificially regulating microbial community structure.

菌群互作是调控厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation, Anammox）体系微观群落结构和宏观脱氮性能的重要驱动力。因此，对Anammox菌群互作机制的深入研究可为调控互作网络提升Anammox系统脱氮性能提供理论依据。.具有互作属性的菌群常以微米尺度（~100 µm）紧邻的方式出现，使得其代谢物足以扩散到彼此可利用的范围，进而影响群落结构和功能。因此，只有明确微尺度空间内菌群结构才能真实的捕捉Anammox菌群互作的信息。.流式细胞术结合单细胞测序技术为菌群微尺度空间结构研究提供了可观的信息通量和稳定性。因此，本研究拟在微米尺度上考察Anammox菌群空间结构，结合流式细胞分选术和10x Genomics测序技术，对Anammox体系中微生物互作模式及互作机制进行深入研究，为人工干预调节菌群结构提升Anammox体系脱氮性能提供可靠地理论依据。

污水处理系统中微生物菌群内部的高效协作是碳氮等污染物有效去除的关键。厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation, Anammox）作为现今最为节能的污水脱氮工艺之一备受关注。复杂混菌体系中微生物互作一般发生在微米尺度空间内（~100 µm），然而目前仅有极少数研究是在微米尺度上考察微生物互作，绝大部分研究的样品尺度（~cm）要远大于微生物互作分析所依赖的空间尺度，有关Anammox体系的研究则更是如此。因此，有必要考察微米尺度上Anammox体系中微生物群落的空间结构，以期对其群落内部微生物互作进行可信的表征。本研究结合生物正交非标准氨基酸标记（BONCAT）、荧光激活细胞分选术（FACS）、激光共聚焦影像观测、16r RNA基因测序和宏基因组测序分析等分子生物学手段，考察了Anammox菌群活性异质性、空间异质性以及微米尺度共现网络，揭示了Anammox细菌的保守互作菌群及互作机制。主要结论如下：.（1）BONCAT-FACS结合16S rRNA基因测序是一种快速、灵敏且高性价比的活性微生物捕捉方法，可成功应用于分离和表征Anammox群落的活性和非活性部分。值得提出的是，我们发现即使在合适的生态位，由于资源竞争仍然有超过四分之一的Anammox细菌不具有翻译活性。.（2）通过解析微米尺度（70-100 µm）Anammox菌群的生物地理分布，我们发现Anammox菌群在微米尺度展示出巨大的空间异质性。重要的是，微米尺度共现网络分析揭示Anammox菌群内部三个不同的Brocadia物种之间不随时间改变的保守代谢互作，而以前报道的Anammox细菌和异养细菌之间的代谢相互作用并没有被观察到，宏基因组学分析进一步揭示基于c-di-GMP的群体感应过程可能维持了不同Brocadia物种之间的保守合作。.本研究首次考察了Anammox菌群内部翻译活性异质性，并以微米级（70-100 µm）分辨率考察了Anammox菌群的空间异质性和群落内部物种共现网络，明确了Anammox细菌保守合作伙伴及互作机制。研究结果进一步完善了Anammox系统中菌群互作的微生物学机制，有助于提高对Anammox菌群社会行为的理解。总的来说，在微米尺度上解析空间结构和共现网络，为研究复杂微生物群在工程生物反应器和自然生态系统中的相互作用开辟了一条新的途径。