祝贺美吉生物宏基因测序再获佳绩-商家动态-资讯-生物在线

祝贺美吉生物宏基因测序再获佳绩

作者:上海美吉生物医药科技有限公司 2016-03-04T15:18 (访问量:4800)

近年来,利用宏基因组技术研究微生物也受到了科研工作者的关注,成为了研究的热点。到底宏基因组测序该怎么做呢,需要做什么呢?一起来看看美吉生物与同济大学吴志超教授团队合作的佳作:利用宏基因组手段研究膜生物反应器的微生物群落结构、功能以及生物淤积相关基因,相关研究结果已于2016年发表在《Appl Microbiol Biotechnol》(IF:3.34)。

研究背景

膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor,MBR)为膜分离技术与生物处理技术有机结合的新型废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池,在生物反应器中保持高活性污泥(CAS)浓度,提高生物处理有机负荷。在MBR反应池里进行着有机污染物的降解和泥水的分离。作为处理系统的核心部分,反应池里面包括微生物菌落、膜组件、集水系统、出水系统、曝气系统。

MBR主要利用膜分离设备截留水中的活性污泥与大分子有机物。MBR因具有出水水质好、占地面积小和污泥产率低等特点而在污水处理中得到广泛应用。而生物淤积是当前MBR技术快速商业化的一个主要障碍,膜表面的无机物沉淀加快了生物膜滤饼层的形成,从而破坏生物反应器的性能。同时,膜上的沉淀细胞可能会释放更多的胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS),比如胞外多糖expolysaccharide,产生不可逆的淤积。

已有研究表明,MBR比CAS中的硝化细菌含量更丰富、更有效。但是我们对MBR微生物功能的了解还非常有限。本文作者进行了一系列研究,以期发现MBR和CAS的微生物多样性和潜在功能,了解MBR的硝化与反硝化作用,同时找到与生物淤积相关的基因。

研究内容

本研究选取上海污水处理厂半工业规模的厌氧/缺氧/有氧(A/A/O)MBR的4个污水和污泥样品,利用上海美吉HiSeq 2500测序平台,分别进行宏基因组测序和生物信息学分析。

取样:

2013年1月7日取样,选取4个不同位置的污水和污泥样品(分布见下图1):S1(污水)、S2(CAS污泥)、S3(MBE污泥)、S4(生物膜混合液)。

图1. 本研究取样分布示意图

研究结果

1.测序结果

采用HiSeq 2500测序平台,对每个样品进行宏基因组测序,获得了262 M优化数据。每个样品的组装信息见下表1。

表1. 各样品测序组装结果信息统计表

2. COG功能注释

研究结果表明,在25类COG功能注释结果中(如图2所示),[J]翻译、核糖体结构及起源、 [K]转录和[R]一般功能是最主要的三大类(图a标红框部分)。由于S2(来源于CAS活性污泥)和S3(来源于MBR活性污泥)均是处理相同的城市废水,所以可发现二者的潜在功能是非常相似的(图b)。

图2. COG功能注释结果,(a)基因水平;(b)序列水平

3.样本中的微生物结构的分析

通过两种方法(SSU rRNA 基因法和蛋白预测法)分别对4个样品的微生物组成进行分析,结果如图3所示:在门水平上,丰度最高的是变形菌门(Proteobacteria),其次是拟杆菌门(Bacteroidetes),再次是厚壁菌门(Firmicutes),三者比例之和为77.2%。用蛋白预测法所得的结果显示,Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes与Spirochaetes是丰度最高的4个菌门。此外,还发现有24个属,在所有样本中丰度均大于1%(图3b)。

图3. SSU rRNA 基因法和蛋白预测法获得的微生物组成分析结果,(a)为门水平,(b)为属水平

4.基因预测

Flavobacterium、Thauera和 Dechloromonas的基因预测结果如图4所示。由图可知,预测基因的丰度大部分是相似的,比如复制、重组、修复;能量产生与转化等。同时,也有部分基因丰度是有差异的,比如黄杆菌属(Flavobacterium)中关于氨基酸和无机离子运输和代谢的基因更加丰富。相比较之下,索氏菌属Thauera和Dechloromonas主要与信号转导机制相关。

图4. 基于COG注释的Flavobacterium, Thauera, 和 Dechloromonas的基因预测分析

5.氮代谢通路的研究

S1-S3样品中,与氮代谢途径相关的功能包括硝化、反硝化作用和铵**盐还原(如图5)。如图5e统计了相关编码基因的丰度信息,主要是氨单加氧酶(amo)、羟胺氧化酶(hao)、**还原酶(nar)、亚**盐还原酶(nir)、一氧化氮还原酶(nor)、一氧化二氮还原酶(nos)等。结果显示,污水样本(S2、S3)中**盐异化还原为铵(DNRA)明显受到抑制,这表明MBR中的**/亚**盐的还原过程是通过反硝化作用实现的。

图5. KEGG氮代谢通路结果:(a)细菌的硝化作用;(b)细菌的反硝化作用;(c)古菌的反硝化作用;(d)**盐还原为氨过程;(e)基因的相对丰度情况

主要结论

1、MBR中的微生物非常丰富。特别是对优势物种的功能分析后,作者发现不同种系的共同基因具有重要的潜在功能,比如检测到某个物种的基因发生了变异。

2、由于处理相同的污水,MBR与CAS系统保持着相似的潜在代谢功能,但是MBR中的硝化微生物更加丰富,而且氨单加氧酶编码基因增多。这可能很好地解释了低温条件下,MBR的除氨能力较好的原因。

3、基于胞外多糖和EPS蛋白代谢相关的基因表达量结果,作者并未发现MBR中具有特殊潜在的可产生EPS的基因;与MBR中的活性污泥相比,生物膜中细菌的基因丰度降低,比如与EPS生物合成与转运相关基因丰度降低。

参考文献

Ma J, Wang Z, Li H, et al. Metagenomes reveal microbial structures, functional potentials, and biofouling-related genes in a membrane bioreactor[J]. Applied microbiology and biotechnology, 2016: 1-13.

上海美吉生物医药科技有限公司 商家主页

地 址: 上海市浦东新区国际医学园区康新公路3399弄3号楼

联系人: 黎

电 话: 021-51875086

传 真: 021-51875086-8002

Email:marketing@majorbio.com

相关咨询
ADVERTISEMENT