基于高通量测序技术的cMWCNTs对污损早期微生物膜群落形成的微观调控机制研究

Our previous studies have demonstrated that carboxyl modified multi-walled carbon nanotubes (cMWCNTs)-filled polydimethylsiloxane (PDMS) composite coatings could effectively inhibit the development of pioneer natural biofilms, while the modulating mechanisms still remain unclear. In view of this, the current project aims to take Microbial Community Ecology as based point through the cross-cooperation of Bioinformatics, Molecular Biology and other disciplines, take the pioneer biofilm communities collected from the pure PDMS (P0) and cMWCNTs modified PDMS (PC) at different seasons and time as research focus, make a comparative study on the differences in compositions and distributions, diversity and abundance, dynamics of key microbial populations, successional patterns of microbial community structures, and dig into the related functional gene networks and key metabolic pathways between the pioneer biofilm communities collected from the pure PDMS (P0 ) and cMWCNTs modified PDMS (PC ) at different seasons and time using 16S/18SrDNA high-throughput sequencing technology and metagenome sequencing technology. It is expected that the effect of the cMWCNTs on the formation of pioneer natural biofilms will be revealed through this project, and the microcosmic modulating mechanisms of the cMWCNTs on the formation of pioneer microbial biofilm communities will be also explicated.

本课题组前期研究发现羧基修饰多壁碳纳米管（cMWCNTs）改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合涂层能够有效抑制海洋生物污损早期天然微生物膜的形成，其作用机制仍不明确。鉴于此，本项目拟以微生物群落生态学作为基点，通过生物信息学、分子生物学等不同学科交叉配合，分别以不同季节、不同时间PDMS（P0）和cMWCNTs改性PDMS（PC）涂层表面污损早期微生物膜群落为研究对象，应用16S/18SrDNA高通量测序技术结合宏基因组测序技术，对不同季节与时间P0和PC表面污损早期微生物膜群落的组成和分布、多样性与丰度、关键微生物种群的变化、微生物群落演替模式差异进行对比分析研究，深入挖掘与污损早期微生物膜形成的相关功能基因网络与关键代谢通路。期望通过本项目的研究进一步揭示cMWCNTs抑制污损早期微生物膜形成的作用机理，阐明cMWCNTs对污损早期微生物膜群落形成的微观调控机制。

海洋防污工程材料表面污损早期微生物被膜群落的形成已经引起世界各国广泛关注。理解海洋防污工程材料表面污损早期微生物被膜群落微生态特征对于阐明海洋生物污损的发生机制具有重要意义。本研究以微生物群落生态学作为研究基点，以cMWCNTs改性PDMS表面污损早期微生物被膜群落作为研究对象，综合运用微生物组学技术（扩增子测序技术、宏基因组测序技术）对不同时期Pc表面污损早期微生物被膜群落结构与功能特征进行解析，揭示了cMWCNTs对污损早期微生物被膜群落形成的微观调控机制。本项目取得的主要研究成果如下：（1）通过对不同时期P0、Pc表面污损早期微生物被膜群落结构及动态演替规律进行对比分析研究，揭示了cMWCNTs对污损早期微生物被膜群落结构及其多样性的微观调控机制；（2）通过对Pc表面典型微生物被膜样本进行宏基因组测序分析，从物种水平和功能水平等不同层面阐明了cMWCNTs对污损早期微生物被膜群落功能的微观调控作用机制；（3）通过对不同时期、不同CNTs改性PDMS表面微生物被膜群落组成结构特征、多样性与丰度特征、群落分布特征进行差异比较分析，揭示了不同CNTs对污损早期微生物被膜群落结构的微观调控机制，并进一步阐明了cMWCNTs抑制污损早期微生物被膜群落定植的作用机制。本项目相关研究成果将为揭示Pc表面海洋生物污损的发生机制提供新线索。在此青年科学基金资助下，共发表项目号（31901114）标注的SCI检索论文13篇，协助指导博士研究生1名（在读），硕士研究生4名（2名毕业，2名在读）。