微生物是地球上最為豐富且分布最為廣泛的生命形式，在生態(tài)系統(tǒng)中對有機物的生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。微生物降解是有機污染物分解過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其中，降解功能微生物可將污染物轉(zhuǎn)化為無毒化合物，是有機污染物降解的執(zhí)行者。因此，深入研究原位降解功能微生物的種類和代謝特性，并從復(fù)雜環(huán)境微生物群落中發(fā)掘具有“特定代謝功能”的活體菌株資源，以提升有機污染物去除效率，是業(yè)界長期追求的目標(biāo)，亦是環(huán)境微生物研究的焦點和難點。
近期，中科院廣州地球化學(xué)研究所李繼兵副研究員、和羅春玲研究員等，將穩(wěn)定同位素示蹤（SIP）、單細胞拉曼分選（RACS）和反向基因組學(xué)（GDC：基因組指導(dǎo)微生物培養(yǎng)）技術(shù)聯(lián)用，發(fā)展了RACS-SIP-GDC技術(shù)。以石油污染土壤中的甲苯為研究對象，從復(fù)雜的石油污染土壤微生物群落中鑒定、分離和培養(yǎng)活性甲苯降解菌。通過SIP成功識別出了活性甲苯降解菌 Pigmentiphaga；采用RACS，基于其光譜峰的偏移進一步分選出單個功能微生物細胞，并借助單細胞基因組測序，成功重建了石油污染土壤中活性甲苯降解菌的完整代謝途徑，實現(xiàn)了單細胞水平上將功能微生物與其功能基因和代謝通路直接相關(guān)聯(lián)；隨后，基于功能微生物的代謝特性，通過添加抗生素、氨基酸、碳源和生長因子（如特定的維生素和礦物質(zhì)元素）等對傳統(tǒng)培養(yǎng)基進行修改，成功培養(yǎng)了RACS分選的活性降解菌 Pigmentiphaga sp。
本研究發(fā)展的RACS-SIP-GDC新方法，可從復(fù)雜環(huán)境群落中精準(zhǔn)識別、定向分離和培養(yǎng)功能微生物，為真實環(huán)境中特定有機污染物降解微生物的培養(yǎng)提供了技術(shù)支持。同時，該技術(shù)實現(xiàn)了在單細胞水平上準(zhǔn)確識別降解目標(biāo)有機污染物的功能微生物，并將降解功能微生物與功能基因和代謝通路直接關(guān)聯(lián)，為研究有機污染物生物降解機制提供了新思路。
該研究得到國家自然科學(xué)基金（32061133003&42277210）、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃（2020B1111530003）、廣東省杰出青年基金（2023B1515020038）以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會會員等項目（2023368）的聯(lián)合資助。相關(guān)成果以副封面文章發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Environmental Science & Technology》。
論文信息：Jibing Li（李繼兵）, Dayi Zhang（張大奕）, Chunling Luo*（羅春玲）, Bei Li（李備） and Gan Zhang（張干）. In Situ Discrimination and Cultivation of Active Degraders in Soils by Genome-Directed Cultivation Assisted by SIP-Raman-Activated Cell Sorting, Environmental Science & Technology, 57(44), 17087-17098.DOI：10.1021/acs.est.3c04247
圖1.文章入選副封面
圖2. RACS-SIP-GDC 技術(shù)的方案示意圖。
圖3. 甲苯降解微生物細胞的原位識別和分選
圖4.降解功能微生物細胞甲苯代謝途徑的重建
圖5.降解功能微生物細胞的培養(yǎng)及其系統(tǒng)發(fā)育
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