基于微生物生态系统代谢网络构建的功能菌群对芘胁迫共适应机制研究

Pyrene, one of the important polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), is regarded to be the indicator for measuring PAHs and also the model molecular for studying biodegradation of PAHs. Functional bacteria play a critical role in the bioremediation of pyrene. Even many bacteria capable of degrading pyrene have been isolated and their mechanism of degradation has been well studied, the interaction and co-acclimation of in situ bacterial consortium under the pollution of pyrene is far from well known. In this proposal, the microbial eco-system metabolic network for functional bacteria is going to be constructed to investigate the co-acclimation of bacterial consortium under the pollution of pyrene. Functional bacterial community and the pathway of pyrene degradation could be achieved by orient domestication; microbial eco-system metabolic network is expected to be constructed by analyzing meta-genomic information provided by High-throughput sequencing; the network is going to be verified by experiments based on cultured functional bacteria and mRNA; results will be integrated and analyzed to explain interactions between functional bacteria with degrading capability and between bacteria with and without degrading capability, and to interpret the co-biodegradation of pyrene by functional bacteria. This study will provide impressive data for revealing the co-acclimation of bacterial consortium under the pollution of pyrene, and provide a potential approach to remediate of pyrene by modulating microbial eco-system metabolic network.

芘是典型的多环芳烃化合物（PAHs），是PAHs污染监测的指示物和研究其生物降解的模式污染物。细菌在芘污染环境的修复过程中起着重要作用。多种具有芘降解功能的细菌已被分离，其降解机制也得到了初步研究；而关于环境中功能菌群如何适应芘污染胁迫及它们之间的相互作用还需深入探讨。本研究拟借助微生物生态代谢网络的构建，揭示芘胁迫条件下功能菌群的共适应机制这一科学问题。拟通过定向驯化获得功能菌群，并对代谢产物分析重建功能菌群对芘的降解途径；借助高通量测序技术获取宏基因组信息，构建芘胁迫下的微生物生态代谢网络；基于纯培养功能菌的验证实验及功能基因表达的分析验证生态代谢网络稳定性；最后综合上述内容，揭示降解菌群之间、降解菌群与非降解菌群之间的相互作用，解析功能菌群共同参与芘降解的过程。研究结果将为理解功能菌群对芘污染胁迫的响应这一科学问题提供依据；并为通过生态代谢网络调节进行原位芘污染修复提供理论支持。

芘是典型的多环芳烃化合物（PAHs），是监测PAHs污染的指示物和研究其生物降解的模式污染物。细菌在芘污染环境的修复过程中起着重要作用。本研究通过采集近海表层沉积物，设计微宇宙实验，将沉积物中菌群与芘进行混合培养30 d。通过基于16S rRNA基因的高通量测序技术以及可培养的方法，研究沉积物中细菌群落的结构组成及演替过程；并基于宏基因组测序技术及微生物生态代谢网络的构建，研究功能菌群适应芘胁迫的机制及其对芘的协同降解过程。具体结果如下：.首先，16S rRNA基因的高通量测序结果表明，沉积物中的群落发生显著演替，优势菌群由初始的γ-和δ-变形杆菌演替为后期的γ-和α-变形杆菌。结果表明，细菌对不同的有机化合物具有不同的适应能力。此外，在不同有机污染的压力下，出现了一些新的细菌类型。这些新类型可以适应污染的环境，并对微生物群落的演替做出显著贡献。.其次，表层沉积物中的细菌群落在芘的压力下表现出对芘协同代谢作用。基于宏基因组测序的功能基因分析表明，与芳香烃降解直接相关的功能基因可以与多种代谢途径合作，。基于不同时间点的宏基因组所组装出的56个细菌基因组（MAGs）主要由γ-和α-变形杆菌组成。在这些MAGs中，参与芘降解过程的功能基因主要来自变形杆菌。另外，拼接的MAGs还包含一些未可培养细菌的基因组。通过重建芘降解菌群的协同代谢途径发现了芘代谢的上游基因，同时发现功能菌在芘代谢下游过程中以苯甲酸降解途径为主。以上研究表明，原位环境中芘的降解需要复杂的、具有降解功能的细菌菌群协同完成。.最后，从芘胁迫下的沉积物中分离出一株具有芘降解功能的新菌并将其命名为Defluviimonas pyrenivorans PrR001T。16S rRNA基因序列分析表明它属于α-Proteobacteria纲的Rhodobacteraceae 中的Defluviimonas属，与菌株D. indica 20V17T相似度最高（96.3%的相似性）。另外，对其烃类降解能力测定发现，菌株PrR001T对芳香烃及烷烃均有一定的降解能力。.综上，本项目的研究结果将有助于人们更好地了解环境中细菌群落对芘污染的适应机制及协同代谢过程，为原位污染环境的修复提供理论支持。