厌氧消化池中蛋白质降解菌的鉴定：蛋白质稳定同位素探测与宏基因组学揭示关键机制

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Identification of protein-degraders in an anaerobic digester by protein stable isotope probing and metagenomics

在厌氧消化（AD）过程中，碳水化合物的存在会抑制蛋白质降解，这一现象机制不明。研究人员通过蛋白质稳定同位素探测（protein-SIP）和宏基因组学技术，对不同碳水化合物浓度下的活性蛋白质降解菌进行研究。结果发现不动杆菌（Acinetobacter）是主要降解菌，且碳水化合物的抑制作用源于其底物偏好。该研究为优化厌氧消化系统提供了新方向。

　　在污水处理的微生物世界里，厌氧消化（Anaerobic Digestion，AD）技术就像一位 “幕后英雄”，默默处理着各种有机废物。然而，这位 “英雄” 也有自己的 “烦恼”：当处理的废物中既有蛋白质又有碳水化合物时，蛋白质的降解效率就会大打折扣。这可难住了科研人员，因为搞不清楚其中的原因，就没办法让厌氧消化技术更好地发挥作用。

为了揭开这个谜团，来自荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）、丹麦奥尔堡大学（Aalborg University）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Applied Microbiology and Biotechnology》上，为我们带来了新的曙光。

研究人员采用了一系列先进的技术方法。首先是蛋白质稳定同位素探测（protein-SIP）技术，它就像是给微生物吃的 “特殊食物”，用含有13C标记的蛋白质作为底物，这样就能追踪微生物对蛋白质的利用情况。同时，结合宏基因组学技术，全面分析微生物的基因信息，了解它们的种类和功能。此外，还运用了 V3-V4 16S rRNA 基因扩增子测序技术，来深入研究微生物群落的组成变化。

研究结果令人眼前一亮。在不同碳水化合物浓度的实验条件下，研究人员发现不动杆菌（Acinetobacter）是主要的蛋白质降解菌。在蛋白质降解性能方面，当培养基中同时存在蛋白质和葡萄糖（LPG 组）时，蛋白质的转化不如只含蛋白质的组（UP、LP 组），这从NH4+??N/TN的转化率就能看出来，LPG 组 96 小时后仅达到 75 ± 1%，而 UP 和 LP 组高达 90 ± 6% 。

在微生物群落组成研究中，通过 V3-V4 16S rRNA 基因扩增子测序，发现变形菌门（Proteobacteria）和 Cloacimonetes 在所有培养条件下都占主导地位。而且，在 96 小时的培养过程中，不动杆菌的相对丰度有所增加，一些未分类的梭菌目（Clostridiales）细菌也有增长趋势。

从宏基因组分析来看，构建的宏基因组包含了大量的细菌和古菌信息，其中变形菌门在所有已识别的支架中占比最高。

进一步通过蛋白质 - SIP 分析，在 LP 和 LPG 培养中，都能检测到不动杆菌对13C标记蛋白质的摄取，且大多标记蛋白质为外膜蛋白或孔蛋白。

研究人员还构建了不动杆菌的代谢模型，发现它可能通过厌氧呼吸降解蛋白质，且缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）和异亮氨酸（Ile）等氨基酸是通过三羧酸循环（TCA cycle）进行代谢的。

在研究结论和讨论部分，不动杆菌作为主要的蛋白质降解菌，在厌氧环境中降解蛋白质的机制有了初步的揭示。虽然目前还无法确定其厌氧呼吸的最终电子受体，但推测可能是SO42??、PO43??和Fe3+等。

这项研究意义重大，为优化厌氧消化系统提供了新的思路。研究人员建议采用 “feast-and-famine” 的进料策略，先让微生物消耗碳水化合物，再降解蛋白质，同时增加活性蛋白质降解菌的数量，这样就能在不提高 C/N 比的情况下，优化能源生产和氮回收，让厌氧消化技术更好地服务于污水处理等领域，为环保事业做出更大的贡献。