非光合微生物菌群固定CO2过程中自养-异养微生物的协同效应及其作用机制

The development of microbial CO2 fixation technology is significant for CO2 resource. Compared with microalgae and hydrogen-oxidizing bacteria of non-photosynthetic microorganisms, other non-photosynthetic microorganisms that can fix CO2 without H2 have the advantage of CO2 fixation safely in dark environment, such as soil and large reactor. The microbial community that can fix CO2 without light and hydrogen had been screened from global oceans, and CO2 could be fixed effectively by the community using several reductive inorganic materials as mixed electron donors. However, there are large amount of heterotrophic bacteria besides autotrophic bacteria in the microbial community, and CO2 fixation efficiency of the dominant autotrophic bacteria separated from the microbial community was far lower than that of the microbial community. Generally, the culture process controlling of the microbial community is difficult and its CO2 fixation efficiency is instable, and carbon and energy metabolisms are the cruxes of microbial CO2 fixation. Based on the screening of large amount autotrophic and heterotrophic bacteria from the microbial community, the availability of the mixed electron donors and carbon source for the microorganisms (autotrophic bacteria, heterotrophic bacteria and their mixed combination) and their microbial biochemical/ecological response were studied. The study could provide theoretical guidance for developing efficient and stable non-photosynthetic microbial CO2 fixation technique and its control technology through revealing function autotrophic/heterotrophic bacteria and its optimal combination, clarifying synergies mechanism of autotrophic/heterotrophic microorganisms during the process of carbon/energy metabolisms, and exploring maintain and control measures for optimal community structure.

发展微生物固碳技术对于CO2的资源化具有重要意义。相比微藻和非光合的氢-氧化细菌，不以氢气为电子供体的非光合固碳微生物具有可在土壤/大型反应器等无光环境中安全固碳的优势。鉴于此，我们已从海洋环境中分选到一群不用光照与供氢的固碳微生物，在以几种还原性无机物为混合电子供体条件下可有效固碳。然而，该菌群除含自养菌外，还含大量异养菌，且从菌群中分离的优势自养菌的固碳效率远低于混合菌群。众所周知，混合菌群存在着培养过程难以有效控制和产率不稳定等问题，而碳源和能源代谢是微生物固碳的关键。因此，在分离大量菌群中自养和异养菌的基础上，从自养/异养菌及其两者混合物对碳源与混合电子供体的可利用性及其生化/生态响应等方面出发，探究其主要的功能自养/异养菌及其最佳组合，阐明异养菌在碳源/能源代谢中与自养菌的协同机制，探索最佳菌群结构的保持与调控措施，将为发展高效、稳定的非光合微生物固碳工艺及其调控技术提供理论指导

前期的研究已获得无需供氢的非光合固碳微生物菌群，并发现微生物间的协同作用，特别是自养菌与异养菌间的相互作用，对整个菌群的固碳效率有促进作用。但其作用机制并不清楚。本研究设计了各种不同类型自养/异养微生物组合（或向混合菌群中添加分离的自养/异养菌的组合），从固碳途径关键酶活性的变化、碳代谢产物的类型/浓度变化、混合电子供体及其衍生物在反应过程中的变化和能量释放等角度，系统研究各种优势自养/异养菌及其不同组合的固碳效力以及对碳源、混合电子供体的可利用性及其利用效率，进而阐明菌群中主要的功能自养菌和异养菌及其最佳组合，探究功能自养/异养菌在碳源/能源代谢中的协同机制与作用靶点。结果表明在菌群中，自养菌可将固定的CO2转化为有机物质，如糖原，并释放至菌体胞外中。随后菌群中的异养菌快速利用这些有机物质作为碳源和能源。而异养菌对胞外有机物质的利用可能有利于自养代谢，因为有机物质对微生物的自养代谢途径具有抑制效应。一些异养菌在代谢有机物的同时，可以把电子供体的氧化产物还原，如还原NO3-，从而在一定程度上实现电子供体和电子受体间的转换，使部分电子供体能够被循环利用，这对于自养微生物也是有益的。本研究提出了一种人工合成菌群的设计及优化方法，其优点在于：使用混合菌群作为新设计菌群的一员，可以在有限的实验量下提供最大程度的丰富菌种数；通过分析培养后的人工菌群，可以了解代谢过程中混合菌群中对所加入菌种有积极响应的菌种种类，甚至可能借此（混合菌群构成复杂，菌种丰富）找到新的未被发现的微生物交互作用；若要优化已构建的人工合成菌群，如增加维度（菌种数）或替换菌种，是极其困难的（实验量巨大），而上述方法可以达成这一目标。该方法被验证有一定普适性，可应用于多个代谢领域（包括CO2固定、纤维素酶的生产等）。上述研究结果将为发展稳定、高效的非光合微生物固碳工艺及其过程调控奠定基础。