揭示微生物宏代谢的确定性动态规律：一项对厌氧生物降解的多组学研究
揭示微生物宏代谢的确定性动态规律：一项对厌氧生物降解的多组学研究
微生物厌氧代谢是生物地球化学循环的重要驱动力，然而，人们对其中微生物与有机代谢物之间错综复杂的相互作用仍知之甚少。中国科学院生态环境研究中心邓晔研究员课题组在《Microbiome》期刊上发表了一篇研究论文，通过多组学方法揭示了厌氧生物降解过程中的微生物宏代谢规律。
研究背景
微生物的生长和活动推动着全球碳循环，而碳流的一个重要部分是由微生物厌氧代谢介导的。然而，在自然栖息地和工程系统中，厌氧代谢模式和核心规则在很大程度上仍未得到充分研究。研究团队引入了宏代谢的概念，以表示特定环境中各种微生物的集体代谢相互作用和动态变化。他们结合宏基因组和代谢组数据，发现了模拟厌氧实验过程中微生物厌氧代谢的动态机制。
实验设计与方法
研究团队选择厨余作为生物反应器的基质，建立了六个平行的生物反应器，在厌氧条件下连续运行96天。实验中对主要理化参数进行了连续的监测，用傅里叶变换离子回旋共振质谱对DOM代谢物进行了非靶标检测，对提取的微生物DNA进行了16S扩增子检测以及二代宏基因组和三代Nanopore检测。
主要发现
DOM整体代谢物组成的内在特征
研究团队利用高分辨率质谱，在所有厌氧消化（AD）生物反应器的八个不同时间点共鉴定出11,086个DOM分子式。含有18个C原子的分子式数量最多，而分子数量随着含C原子的变化（比18更多或更少）而逐渐减少。此外，分子并不明显偏向于不饱和，大多数DOM分子都含有还原C。因此，该食物垃圾厌氧消化（AD）系统中代谢物的总体组成被确定为可生物降解。
微生物的宏代谢策略
研究团队发现，在整个过程中，总体分子量有所降低，这表明厌氧微生物减少了有机物的总量，并将大分子转化为小分子。同时，他们观察到类脂成分的分子量在第9天之前一直在增加。类脂成分分子量的增加直接表明了它们在实验初期的微生物合成过程。之后，研究团队识别了特定时间的生物转化，鉴于大多数潜在生物转化（616/866）在特定时间点的相对丰度明显高于所有其他时间点，他们认为这些转化具有时间特异性。他们同时发现含氮元素的生物转化集中在实验的早期阶段（0-6天），而含硫元素的生物转化在后期阶段（第12天之后）更为突出。分析表明，在微生物厌氧分解过程中，含N的生物转化在热力学上比含 S的生物转化更容易，这表明微生物对可用资源进行了优先排序。
群落生态过程与微生物的宏代谢
研究团队发现，同质选择主导了系统中代谢物的组装。Mantel检验证实了分子和微生物组成的共同周转。他们利用MRM方法探索响应距离矩阵与多元解释距离矩阵之间的线性关系。在拟合分子组成的周转时，他们发现微生物群落结构具有最显著的影响，这表明微生物过程在分子组成的形成中起着至关重要的作用。同样，他们观察到分子组成对微生物群落的演替也有显著影响。此外，pH 值对微生物群落结构也有明显影响，这表明微生物群落的结构受物理环境和有机碳源组成的影响。利用微生物系统树和分子性状树研究了微生物和分子之间的生态功能关系，发现它们在生态功能上相互依存。
微生物功能与代谢物特征
研究团队发现，该系统的微生物-代谢物网络是围绕CH4的产生而形成的，CH4被确定为网络核心。总节点的62.15%是CH4的第一和第二邻接节点。同时，该网络中的所有连接节点都属于有机物。微生物提供了第二个网络核心和网络中的大部分模块核心。不同的代谢活动可能呈模块化分布，不同模块中分子特征存在显著差异。此外，他们发现大分子更有可能与微生物呈正相关。在网络中识别出关键物种的基础上，他们进一步将这些关键物种与它们的MAGs进行匹配，将它们的关键作用与其代谢功能联系起来。这些关键物种很可能在动态过程中的物质代谢中发挥重要作用，因为它们一般都拥有相对完整的脂肪酸生物合成途径，并在碳水化合物代谢和发酵方面表现出多种能力。因此，几种重要的微生物通过在系统内发挥关键功能和具备广泛的代谢能力来组织系统的总体代谢活动。
研究意义
研究团队提出了指导DOM转化的微生物厌氧代谢的三个一般规则：I) 从运行条件到微生物再到代谢物的确定性过程路径，II) 微生物通过群落层面的代谢权衡对环境条件做出反应，III) 微生物的合作基于代谢互补和物质交换。这些规则表明，微生物根据其群落级代谢权衡和协同代谢功能来适应环境条件，进一步推动了分子组成的确定性动态变化。微生物利用系统内的共享物质库，通过代谢选择相互合作和影响，最终形成了一个活跃的相互作用网络。由于物质交换和物理条件的改变，微生物在厌氧代谢活动中实现了协同合作，推动了大分子的快速生物降解，促进了甲烷生成，维持了反应器的运转。
这项研究获得了国家重点研发计划的支持，为理解微生物厌氧代谢的策略提供了新的视角，有助于指导各种自然和人工生态系统中物质和能量循环的利用和调节，并有助于维护生态系统的健康。
原文链接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01890-1
作者单位：
中国科学院生态环境研究中心环境生物技术重点实验室