基于宏蛋白质组学及显微操作多相分析产甲烷菌微生态耐受性强化机制

The tolerance of methanogens resistant to stress conditions is a key factor important for the stable performance of high-loading anaerobic digestion of biomass waste. The project aims at investigating the metabolic responses of methanogens upon stress conditions, using the methodology of comparative metaproteomics. The functional panorama of methanogenic microecology during the anaerobic digestion of biomass waste will be explored by simultaneously determining the expressions of the methanogenesis-related proteins, aggregate-disaggregate-relating proteins and other functional proteins. The profile and abundance of methanogenic community proteins will be investigated under major stress conditions, including acids shock, ammonia accumulation and temperature fluctuation, so as to explore the stress tolerance mechanism. The cells of high-tolerant methanogens will be isolated by micromanipulation technique, subjected to single-cell genome analysis, in order to assistant the identification of methanogens proteins and to facilitate the discovery of key functional genes and proteins related to high stress resistance. The expression of these key stress proteins will be monitored during the study on different stress-tolerance reinforce technologies, so as to select the appropriate regulating strategy to improve the high stress-tolerance, resilience and stability of methanogenic microecology.

提高产甲烷菌对胁迫条件的耐受性，是生物质废物进行高负荷厌氧消化、维持稳定运行的关键。本申请项目拟以产甲烷菌对胁迫条件的代谢功能响应为研究出发点，基于差异宏蛋白质组学分析方法，研究生物质废物厌氧消化过程中产甲烷菌微生态的环境功能全貌，实现甲烷化代谢途径蛋白质、聚集体形成蛋白质和其它类别功能蛋白质表达的同步确定；研究酸、氨等主要胁迫条件下产甲烷菌群落蛋白质的表达谱和表达丰度，确定产甲烷菌对胁迫条件的代谢功能响应机制；利用显微操作技术分离高耐受性产甲烷菌，进行单细胞基因组分析，辅助蛋白质鉴定，从代谢层面探究高耐受性产甲烷菌的功能成因，识别出与高耐受性相关的关键基因和蛋白质；跟踪不同调控方式对关键蛋白的表达调节，验证分析耐受性代谢功能强化机制，从而为强化产甲烷菌耐受性的功能调控提供依据，发展以提高和维持产甲烷菌微生态耐受能力为核心目标的技术方法。

提高产甲烷菌对胁迫条件的耐受性，提高产甲烷菌在胁迫条件下的代谢活力、增殖量，从而确保甲烷化区域的稳定和扩展，是生物质废物进行高负荷厌氧消化、维持稳定运行的关键。需要从代谢层面探究产甲烷菌为何能保持其高耐受性，在什么条件下会超过其耐受能力，如何提高其耐受性；需要了解在胁迫条件时，逐渐占据竞争优势的高耐受性产甲烷菌，是否能在胁迫条件衰减的时候依然保持其竞争优势和耐受性，及具有较高的恢复力和抵抗力，以确保胁迫条件再次发生时能迅速响应，从而提高厌氧反应系统的稳定性和抗冲击的能力。.为此，本项目以产甲烷菌对胁迫条件的代谢功能响应为研究出发点，开展了“厌氧环境样品产甲烷菌微生态的宏组学表征方法”、“胁迫条件下产甲烷菌微生态的差异宏组学分析”、“高耐受性产甲烷菌的单细胞分离培养和基因组分析”以及“产甲烷菌微生态的耐受能力强化”等四方面的研究工作。具体是基于环境组学分析方法，研究了生物质废物厌氧消化过程中产甲烷菌微生态的环境功能全貌；研究了酸、氨等主要胁迫条件下产甲烷菌群落蛋白质的表达谱和表达丰度，结合宏基因组学和宏转录组学，确定了产甲烷菌对胁迫条件的代谢功能响应机制；利用显微操作技术分离高耐受性产甲烷菌，实现了高浓度酸、高浓度氨条件下产甲烷菌的纯菌培养，进行了单细胞基因组分析，辅助蛋白质鉴定和转录组分析，从代谢层面探究了高耐受性产甲烷菌的功能成因；跟踪了不同调控方式对产甲烷微生态及相关基因的影响，验证分析了耐受性代谢功能强化机制，从而为强化产甲烷菌耐受性的功能调控提供依据，发展了基于炭基材料提高和维持产甲烷菌微生态耐受能力的技术方法。