联合运用磁性纳米颗粒介导分离(MMI)与稳定同位素探针(SIP)技术识别多环芳烃降解功能微生物

罗春玲  研究员

磁性纳米颗粒介导分离(Magnetic-nanoparticle mediated isolation, MMI)技术是近期兴起的一门复杂环境中功能微生物的分离技术。该技术利用生物相容的磁性纳米颗粒(MNPs)使所有微生物具有磁性,培养一定时间后,其中的活性微生物随细胞分裂的进行,其表面的MNPs逐渐脱落并最终失去磁性,借助外加磁场,可将功能微生物从未分裂或不活跃且维持磁性的微生物群落中分离开来。MMI技术已成功应用于污染场地中活体不可培养功能微生物的分离和表征。与DNA-SIP技术不同,该技术无需对目标底物进行标记,亦无需对DNA进行分离。更重要的是,通过MMI分离所获得的功能微生物仍然存活,并且可用于原始污染环境的生物强化修复。因此,MMI技术被认为是分离和鉴定复杂环境介质中活体功能微生物的有力工具。然而,尽管该技术能够有效地分离出快速生长和繁殖的微生物细胞,但是并不能将代谢不同底物的细胞区分开来。

DNA-稳定性同位素探针技术(DNA-SIP)通过向环境样品中引入稳定同位素标记(如13C或15N)的目标化合物,追踪该化合物从环境到生物分子的转变过程,能够鉴别出不可培养微生物的作用,从而将微生物与其生态功能直接联系起来。然而,DNA-SIP技术只能探查到相对丰度较高的功能微生物,较难适用于对13C-DNA中丰度较低的微生物(< 0.1%)的探查。

而利用MMI技术对活性细胞的分离和富集作用,将MMI与DNA-SIP技术联用,有望提高DNA-SIP对复杂环境中功能微生物识别的分辨率和准确性。

近期,中科院广州地化所李继兵博士与其合作导师罗春玲研究员,连同清华大学张大奕博士,采用MMI和DNA-SIP联合技术,简称MMI-SIP,对PAHs污染水体中的菲降解功能微生物进行了探查。DNA-SIP结果显示,参与菲降解的功能微生物为Pseudomonas和Sphingobium;与MMI技术结合后,MMI-SIP能够显著增加Pseudomonas和Sphingobium在13C-DNA中的富集,同时识别出另外一种菲降解菌Pigmentiphaga。通过MMI技术分离获得的功能菌除了以上三种外,还包括Comamonadaceae和Sphingobacterium。然而,这两种菌群并未在13C_SIP处理的重层DNA中富集。这些微生物只是利用了污水中的其他碳源而快速生长繁殖,从而得到富集,导致鉴定误差。该研究结果表明,与DNA-SIP和MMI相比,MMI-SIP在功能微生物识别上具有更高的分辨率和准确性。该技术亦有望进一步拓展到土壤、沉积物等环境介质中有机污染物的代谢功能微生物识别及降解机理研究中。

该研究得到国家自然科学基金资助,相关成果已于近日发表于Water Research

Jibing Li, Chunling Luo, Dayi Zhang, Gan Zhang, 2018. Coupling magnetic-nanoparticle mediated isolation (MMI) and stable isotope probing (SIP) for identifying and isolating the active microbes involved in phenanthrene degradation in wastewater with higher resolution and accuracy. Water Research 144, 226-234.



图1 (A) SIP、MMI和MMI-SIP鉴定和分离功能微生物的原理;(B) SIP、MMI和MMI-SIP鉴定和分离功能微生物的流程示意图。
图2 菲降解功能微生物和其相关微生物基于16s rRNA基因序列的系统发生关系,构建方法为邻接法,自展值设定重复1000次,图中仅展示自展值大于50 %的结果,比例尺0.05代表每个核苷酸的替换率。