近日，耿金菊教授課題組利用反應(yīng)組學(xué)和比較基因組學(xué)技術(shù)揭示了微生物在污水處理過程轉(zhuǎn)化溶解性有機(jī)物（DOM）的分工協(xié)作機(jī)制，這一成果以"Microbial Roles in Dissolved Organic Matter Transformation in Full-Scale Wastewater Treatment Processes Revealed by Reactomics and Comparative Genomics"為題發(fā)表在Environmental Science &Technology上。

污水處理過程微生物轉(zhuǎn)化DOM的分工協(xié)作機(jī)制示意圖

由于人類活動，DOM呈指數(shù)增長地進(jìn)入水環(huán)境，導(dǎo)致全球化的水生態(tài)安全問題，污水處理廠的出水排放是水環(huán)境中外源DOM的主要來源之一。污水處理廠出水的DOM包括污水中未被降解的、經(jīng)微生物代謝轉(zhuǎn)化的以及微生物新產(chǎn)生的幾個部分。研究DOM在污水處理過程的轉(zhuǎn)化規(guī)律對DOM的控制至關(guān)重要。然而，目前對污水處理過程DOM和微生物的研究通常是單獨(dú)進(jìn)行，導(dǎo)致對微生物介導(dǎo)的DOM轉(zhuǎn)化過程缺乏統(tǒng)一的認(rèn)知。

因此，圍繞"微生物如何參與DOM轉(zhuǎn)化"這一核心問題，本研究利用比較基因組學(xué)和基于高分辨率質(zhì)譜和成對分子距離（PMD）的反應(yīng)組學(xué)，對實(shí)際污水生物處理過程的微生物和DOM同時(shí)進(jìn)行了表征。

基于反應(yīng)組學(xué)的網(wǎng)絡(luò)分析顯示了微生物在DOM轉(zhuǎn)化中的分工。這種分工是由微生物的功能特征而非物種分類決定的（圖1）。具體來說，核心微生物表現(xiàn)出快速的生長潛力和廣譜底物親和力，但缺乏異源物質(zhì)代謝相關(guān)的基因。這些特點(diǎn)決定它們主要消耗易降解的DOM并將其轉(zhuǎn)化為難降解的一級代謝產(chǎn)物。相反，邊緣微生物在難降解DOM的利用上更具優(yōu)勢，但生長緩慢。它們只與特定的DOM分子聯(lián)系，并可能以核心微生物的代謝物為營養(yǎng)源（圖2）。因此，開發(fā)新技術(shù)選擇性富集邊緣微生物，解偶聯(lián)易降解和難降解DOM的轉(zhuǎn)化過程是強(qiáng)化DOM去除的潛在有效手段。

圖1 基因組(MAG)和DOM的共現(xiàn)和PMD網(wǎng)絡(luò)

(a) 網(wǎng)絡(luò)的17個模塊。方形節(jié)點(diǎn)和圓圈分別表示MAG和DOM分子。配色與子圖c中的相同。紅色和灰色連接線分別代表MAG與DOM分子和DOM分子之間的關(guān)系。(b) 顯示邊屬性分布的桑基圖。(c)基于模塊內(nèi) (Zi) 和模塊間 (Pi) 連接度確定網(wǎng)絡(luò)中的核心微生物和邊緣微生物。

圖2 核心微生物和邊緣微生物的功能特征富集情況

(a) 富集和缺失的功能蛋白數(shù)量。(b) KEGG第二級功能的富集/缺失情況。條形圖表示宏基因組相應(yīng)功能基因的拷貝數(shù)。(c) KEGG 第三級功能（通路級別）的富集/缺失情況。

該論文第一作者是南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院直博生王黎曄，通訊作者為耿金菊教授。該研究受國家自然科學(xué)基金（51978327）和江蘇省自然科學(xué)基金（BK20180010）資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c02584