近日，本室唐鸿志教授课题组在Cell Press旗下《The Innovation》发表了题为“Community-integrated multi-omics facilitates screening and isolation of the organohalide dehalogenation microorganism”的研究论文。本研究多维度分析了工业废水处理中关键微生物的功能潜力及潜在需求，并成功分离了辅助污染物降解的难培养关键微生物，为后续污染物降解关键微生物资源库的拓展提供基础。上海交通大学博士生黄逸群为第一作者，唐鸿志教授为通讯作者。
自然环境中绝大部分微生物尚无法复苏、分离和培养，典型限制因素包括代谢需求未知（营养成分）、生理状态不明（休眠状态）、物种丰度低等，而在工业危化品处理单元（如活性污泥、生物膜等）或原位污染环境中的土著微生物群落中常发现具有一定污染物耐受能力的菌株，部分菌株可利用污染物作为碳氮源进行脱毒或降解。近年来，扩增子分析、宏基因组等组学技术的发展使得基于微生物群落水平研究污染物降解和生态修复成为可能，其中宏基因组分箱工具可基于碎片化的测序结果组装环境微生物群落中微生物的基因组草图，为研究人员能够在免培养条件下对微生物的物种丰度、代谢生理等进行预估和分析，以及发现“隐藏”在复杂环境微生物群落黑箱中的污染物降解关键菌株提供依据。
本研究针对工业皂化废水生物处理工艺的微生物群落，首先进行扩增子测序分析挖掘不同阶段活性污泥中的优势微生物。研究发现，Proteobacteria和Patescibacteria在皂化废水处理全程为优势微生物（图1）。对曝气池和接触氧化池等关键处理阶段进行宏基因组组装基因组（Metagenome assembled genomes，MAGs）的构建，并基于其完整度和污染度进行筛选。通过功能注释分析发现，有42个MAGs具有潜在水解脱卤酶，其中Proteobacteria相关的MAGs占比较高，表明该类微生物可能在污水有机卤化物的降解中起到重要作用（图2）。
图1 工业皂化废水生物处理工艺的微生物群落组成
图2 工业皂化废水微生物MAGs进化树与功能基因分布图
研究人员采用多组学技术指导污染物降解微生物培养，以寡营养培养基作为初始培养基，基于原位环境的理化条件调整培养条件，结合生物标记物、基因组功能信息等分析结果，对功能微生物MAGs设计培养基方案，根据污染物降解基因对应的潜在底物作为培养基碳源，辅助待培养功能微生物的生长与分离（图3）。基于该策略，研究人员分离得到一株有机卤化物脱卤菌Microbacterium sp. J1-1，该菌是多组学分析中生物标记物和候选功能微生物类别Micrococcales的一员，具有多种潜在水解脱卤酶和降解氯醇类底物的能力，可用于后续工业皂化废水处理。
图3 多组学辅助指导环境微生物培养策略示意图
以上工作得到科技部国家重点研发计划（2021YFA0909500）、国家自然基金（32030004）、上海市优秀学术带头人计划（20XD1421900）、上海市教育发展基金会与上海市教育委员会“曙光”计划（17SG09）等项目支持。
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