Symbiosis of sulfate-reducing bacteria and methanogenic archaea in sewer systems  

下水道系統(tǒng)中硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷古菌的共生關(guān)系  

來(lái)源：Environment International, Volume 143, 2020, Article 105923  

《國(guó)際環(huán)境》，第143卷，2020年，文章編號(hào)105923  

 

摘要

在自然厭氧環(huán)境中，硫化物和甲烷的排放總是同時(shí)存在，但硫酸鹽還原菌（SRB）和產(chǎn)甲烷古菌（MA）的代謝環(huán)境存在巨大差異，這與它們共存的現(xiàn)象似乎相矛盾。為探究此問(wèn)題，本研究以城市下水道為案例，綜合研究了SRB和MA的生物膜結(jié)構(gòu)、底物消耗和代謝途徑。結(jié)果表明，由于MA的環(huán)境要求比SRB更嚴(yán)格，SRB在生物膜形成初期成為優(yōu)勢(shì)微生物，促進(jìn)了硫化物的快速生成。宏基因組分析表明，SRB在下水道中比MA更具優(yōu)先性，且優(yōu)勢(shì)SRB可為甲烷代謝提供關(guān)鍵介質(zhì)（甲基輔酶M）。因此，MA的多樣性逐漸增加，初步形成共生系統(tǒng)。此外，通過(guò)L-半胱氨酸，甲烷代謝也參與了硫化物的消耗，該過(guò)程涉及半胱氨酸和蛋氨酸代謝。這種硫化物消耗現(xiàn)象導(dǎo)致了硫化物代謝的正向反應(yīng)，既能促進(jìn)硫化物生成，又能穩(wěn)定pH值（H+濃度）和S2-濃度（否則會(huì)抑制SRB和MA的產(chǎn)生）。因此，硫化物與甲烷代謝之間緊密交織的相互作用為SRB和MA提供了環(huán)境安全保障，并完全形成了二者之間的共生關(guān)系。基于這些發(fā)現(xiàn)，提出了一個(gè)涉及硫化物和甲烷生成協(xié)同機(jī)制的生態(tài)模型，該模型可增進(jìn)對(duì)自然環(huán)境中SRB和MA共生關(guān)系的理解。  

 

研究目的

探究在城市下水道這一典型的厭氧環(huán)境中，盡管硫酸鹽還原菌（SRB）和產(chǎn)甲烷古菌（MA）的代謝需求（如底物、pH、溶解氧）存在顯著差異，但它們?yōu)楹文軌蚯胰绾畏€(wěn)定共存并同時(shí)產(chǎn)生硫化物和甲烷的內(nèi)在機(jī)制。  

 

研究思路

1.  系統(tǒng)構(gòu)建與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)：利用一個(gè)1200米長(zhǎng)的中試下水道系統(tǒng)，在真實(shí)廢水條件下，連續(xù)120天監(jiān)測(cè)生物膜形成過(guò)程中硫化物和甲烷的濃度變化、SRB和MA的豐度（通過(guò)qPCR測(cè)量16S rRNA基因拷貝數(shù)）。  

2.  環(huán)境微環(huán)境表征：使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察生物膜微觀結(jié)構(gòu)的變化，并使用丹麥Unisense微電極測(cè)量生物膜內(nèi)部不同深度的溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP），以揭示SRB和MA活動(dòng)的微環(huán)境條件。  

3.  微生物群落分析：通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)分析整個(gè)生物膜中SRB和MA的群落組成和多樣性隨時(shí)間（120天）的演變規(guī)律。  

4.  代謝機(jī)制解析：利用宏基因組測(cè)序（Illumina平臺(tái)）和KEGG Pathway數(shù)據(jù)庫(kù)注釋，鑒定并分析參與硫循環(huán)和甲烷代謝的關(guān)鍵功能基因及酶，構(gòu)建兩者之間的代謝聯(lián)系。  

5.  模型構(gòu)建：綜合以上所有數(shù)據(jù)，提出一個(gè)闡釋SRB與MA在下水道系統(tǒng)中共生關(guān)系的生態(tài)模型。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  硫化物和甲烷濃度：監(jiān)測(cè)了120天內(nèi)下水道水體中硫化物和甲烷濃度的動(dòng)態(tài)變化（來(lái)自圖1a）。該數(shù)據(jù)直接展示了兩種代謝產(chǎn)物在時(shí)間序列上的生成規(guī)律（硫化物先快速生成后下降，甲烷后期生成并穩(wěn)定），是揭示兩者存在相互作用的首要證據(jù)。  

 

2.  SRB和MA的絕對(duì)豐度：通過(guò)qPCR測(cè)量了整個(gè)生物膜及四個(gè)不同深度剖面（0-400μm, 400-800μm, 800-1200μm, >1200μm）中SRB（dsrA基因）和MA（mcrA基因）的16S rRNA基因拷貝數(shù)（來(lái)自圖1b-f）。該數(shù)據(jù)揭示了SRB和MA在生物膜空間和時(shí)間維度上的定殖和增長(zhǎng)模式，表明SRB早期占優(yōu)，而MA后期增殖。  

3.  生物膜結(jié)構(gòu)與微環(huán)境：使用SEM觀察了生物膜在不同成熟期（5, 20, 60, 75, 90, 120天）的微觀形貌、孔隙度和厚度（來(lái)自圖2上部電鏡圖）。使用Unisense微電極測(cè)量了生物膜剖面的DO和ORP（來(lái)自圖2下部曲線圖）。該數(shù)據(jù)揭示了生物膜內(nèi)部厭氧程度的加強(qiáng)和分層現(xiàn)象，為SRB和MA的各自優(yōu)勢(shì)活動(dòng)區(qū)域提供了物理和化學(xué)環(huán)境解釋。  

 

4.  微生物群落結(jié)構(gòu)：通過(guò)高通量測(cè)序分析了SRB和MA群落中主要屬的相對(duì)豐度隨時(shí)間的變化（來(lái)自圖3a,b）。該數(shù)據(jù)從物種分類水平揭示了功能微生物群落的演替規(guī)律，表明MA多樣性隨生物膜成熟而增加。  

 

5.  功能基因與代謝途徑：通過(guò)宏基因組學(xué)分析了甲烷代謝和硫代謝關(guān)鍵酶編碼基因的豐度及變化（來(lái)自圖4a,b）。該數(shù)據(jù)從基因功能水平提供了最直接的證據(jù)，證明兩條代謝途徑通過(guò)“甲基輔酶M”和“L-半胱氨酸”等關(guān)鍵代謝物相互聯(lián)系、相互促進(jìn)。  

 

結(jié)論

1.  在下水道生物膜形成過(guò)程中，硫化物和甲烷的生成存在時(shí)序差異：SRB及硫化物生成優(yōu)先啟動(dòng)和積累；當(dāng)硫化物積累到一定程度后，MA及甲烷生成才開(kāi)始顯著增強(qiáng)并最終穩(wěn)定在較高水平。  

2.  生物膜內(nèi)部形成的嚴(yán)格厭氧、低ORP的微環(huán)境（尤其是深層生物膜）是MA繁殖和甲烷生成的前提條件。  

3.  SRB的代謝為MA提供了關(guān)鍵的前體物質(zhì)——甲基輔酶M（Methyl-CoM），直接促進(jìn)了甲烷代謝的進(jìn)行，這是共生關(guān)系形成的關(guān)鍵橋梁。  

4.  MA通過(guò)L-半胱氨酸途徑參與硫代謝，消耗了部分硫化物，這一過(guò)程不僅避免了硫化物的過(guò)度積累（及其對(duì)SRB和MA自身的抑制），還有助于穩(wěn)定系統(tǒng)的pH和S2-濃度，為SRB和MA的持續(xù)共存創(chuàng)造了有利的環(huán)境條件。  

5.  最終，SRB和MA通過(guò)上述復(fù)雜的代謝互作（SRB為MA提供底物，MA消耗SRB的抑制性產(chǎn)物）形成了一個(gè)穩(wěn)定的互利共生系統(tǒng)。研究據(jù)此提出了一個(gè)闡釋該共生機(jī)制的生態(tài)模型。  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）微電極，對(duì)下水道生物膜內(nèi)部進(jìn)行了高分辨率的原位測(cè)量，其研究意義至關(guān)重要：  

1.  揭示微環(huán)境分異：傳統(tǒng)的水體批量測(cè)量無(wú)法反映生物膜內(nèi)部的化學(xué)梯度。Unisense微電極憑借其微米級(jí)的尖端，能夠精確穿透生物膜并測(cè)量不同深度的DO和ORP值。數(shù)據(jù)明確顯示生物膜從表層的微氧/較高ORP到深層的嚴(yán)格厭氧/低ORP存在顯著分層（圖2）。這種分異現(xiàn)象解釋了為何對(duì)氧敏感的MA主要棲息和活躍于生物膜深層，而耐受性稍強(qiáng)的SRB活動(dòng)范圍更廣。  

2.  關(guān)聯(lián)微生物活動(dòng)與微環(huán)境：測(cè)量到的ORP值變化與微生物的代謝活動(dòng)直接相關(guān)。數(shù)據(jù)顯示，在生物膜成熟后期（60-75天），深層生物膜的ORP降至-300 mV以下，這正好與MA數(shù)量急劇增加、甲烷生成速率飆升的時(shí)間點(diǎn)吻合（圖1，圖2）。這為“低ORP環(huán)境是MA繁殖的必要條件”這一論斷提供了直接、定量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。  

3.  闡明共生系統(tǒng)的形成基礎(chǔ)：微電極數(shù)據(jù)表明，早期生物膜（如前30天）的ORP相對(duì)較高（-37 ~ -31 mV），不利于MA生存，此時(shí)SRB占優(yōu)。隨著生物膜增厚和內(nèi)部厭氧程度加劇，環(huán)境才變得對(duì)MA友好。因此，Unisense電極的數(shù)據(jù)清晰地描繪了共生系統(tǒng)得以形成的物理化學(xué)背景：SRB先導(dǎo)創(chuàng)造了更嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，為后續(xù)MA的繁殖和共生關(guān)系的最終確立鋪平了道路。  

 

綜上所述，Unisense微電極提供的高分辨率空間化學(xué)數(shù)據(jù)，是連接“生物膜物理結(jié)構(gòu)”、“微觀化學(xué)環(huán)境”和“微生物群落功能”之間橋梁的關(guān)鍵工具，為理解和論證SRB與MA的共生機(jī)制提供了不可或缺的環(huán)境背景證據(jù)。