生物通报道：最近，来自美国翻译基因组学研究所（Translational Genomics Research Institute，TGen）和卢森堡系统生物医学研究中心（LCSB）的一个科学家小组，对一处生物污水处理厂完成了前所未有的微生物学分析，对于保护环境、能源回收和人类健康，具有广泛的影响。

相关研究结果发表在2014年11月26日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志，以前所未有的细节，描绘了一种模式生态系统中的复杂关系。

这项研究集中在生物燃料分子脂质，它们都是由微生物垫（水底）自然积累，漂浮在废水表面。这是“免费能源”，因为脂质可以转换成柴油燃料。

TGen病原菌基因组学研究部主任Paul Keim说：“细菌群落到处都是，理解它们之间如何相互作用，对于工业、农业、环境和人类健康都至关重要。”他还指出了这些研究结果的学术成就和应用影响。

Keim博士也是北亚利桑那大学（NAU）微生物学教授，他说：“微生物群落功能的基本原则可能是建立于一种环境中，然后用来生成适用于所有生物的假设和模型。”

这项研究的结果证实并统一了各种生态学概念，这些概念主要根据大型生物群系统（例如森林、河流和海洋）的观察结果而制定，因为这些群落生境的庞大规模，还不能深入地进行实验性研究。

在他们对污水处理厂生态系统的分析过程中，研究人员采用系统生物学方法。处理的废水包含能源丰富的基质，包括脂肪、蛋白质、碳水化合物和许多其他作为寄生细菌营养的物质。因此，每一处污水处理厂都是一个复杂的生态系统。无数的细菌物种适应了水里的生活条件，争夺资源，每找到一处生境它们就能够最好的生存。

本文第一作者、LCSB 的Emilie Muller博士说：“现在LCSB开发的技术，允许我们在分子水平上精确地阐明这些过程。”

这一切的基础就是所谓的“组学”——基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，连同整合数据分析的新生物信息学方法。

Muller说：“有了这些，我们就可以根据样品确定，有哪些生物生活在处理厂，它们的群体规规模、基因组成、活动和物质周转率如何。因此，不再需要单独在纯培养基中研究细菌。基于此，我们可以最终模拟‘污水处理厂’的物质流，并描述，例如细菌物种将利用和消化哪种基板，到何种程度？”

TGen-LCSB研究小组想更进一步，不仅仅是模拟废水处理厂的生态学。他们的研究旨在了解是什么因素决定着物种组成和相应的生态平衡。

有一种细菌引起了研究人员的关注：微丝菌（Microthrix parvicella），他们在两年前首次描述了这种细菌的基因组序列。这种细菌能吸收和储存特别多的脂肪。在冬季，在处理池表面的细菌中有高达50%是这种细菌。这是相当惊人的，因为冬季废水中脂类的数量较低，并且微丝菌在这个季节的生活条件很不利。

该研究发现，微丝菌具有一个基因的28个拷贝，该基因主要负责脂质吸收。这个基因的扩增说明，重要脂质积累对于这种生物及相关群体有多么重要。

本文资深作者、LCSB 系统生物学研究团队主任Paul Wilmes博士指出：“微丝菌被生态学家们称为所谓的‘多面手’。这种生物可以适应非常多的生活条件，从而在高度波动的污水处理厂生态系统中占据支配地位。”

有28个基因负责脂质吸收，这是非常有帮助的，Wilmes说：“该基因的每个拷贝都与其他拷贝有点不同。如果生活环境变化，当温度下降或脂质成分改变，那么一种不同的脂质吸收基因就适应新的条件。这样，微丝菌就可以生存在许多不同的环境中。”

该研究小组的转化目的是，提高微丝菌的活性，以消除废水中尽可能多的脂质。来自废水的脂质存储在细菌中，是一种可再生能源，因为它们可以很容易地转化成生物柴油。

TGen 研究小组成员、本文共同作者Lance Price博士称，这种生态系统研究也具有重要的生物医学意义：“人类微生物组是一个类似的微生物群落。它通过微生物代谢、与人类细胞相互作用以及保护身体对抗病原体的能力，在许多组织和器官中占支配地位。废水群落的系统分析，将促进我们深入认识人类健康以及可持续能源的转化应用。”

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Community-integrated omics links dominance of a microbial generalist to fine-tuned resource usage
Abstract: Microbial communities are complex and dynamic systems that are primarily structured according to their members’ ecological niches. To investigate how niche breadth (generalist versus specialist lifestyle strategies) relates to ecological success, we develop and apply an integrative workflow for the multi-omic analysis of oleaginous mixed microbial communities from a biological wastewater treatment plant. Time- and space-resolved coupled metabolomic and taxonomic analyses demonstrate that the community-wide lipid accumulation phenotype is associated with the dominance of the generalist bacterium Candidatus Microthrix spp. By integrating population-level genomic reconstructions (reflecting fundamental niches) with transcriptomic and proteomic data (realised niches), we identify finely tuned gene expression governing resource usage by Candidatus Microthrix parvicella over time. Moreover, our results indicate that the fluctuating environmental conditions constrain the accumulation of genetic variation in Candidatus Microthrix parvicella likely due to fitness trade-offs. Based on our observations, niche breadth has to be considered as an important factor for understanding the evolutionary processes governing (microbial) population sizes and structures in situ.