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證據表明Propioniciclava是一種新型的多磷酸鹽積累生物，并對其代謝特征進行了分析

《Bioresource Technology》：Evidence for Propioniciclava as a novel polyphosphate-accumulating organism and construction of its metabolic profile

【字體：大中小】 時間：2026年03月02日 來源：Bioresource Technology 9

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　　本研究通過實驗室規模的序批式反應器（SBR）和分子生物學方法，確認Propioniciclava是一種新型聚磷菌（PAO）。其代謝機制顯示依賴葡萄糖作為碳源，通過聚磷酸鹽激酶（ppk2）基因催化聚磷酸合成，并利用聚磷酸在好氧條件下吸收磷酸鹽。宏基因組與轉錄組分析揭示了其獨特的聚磷代謝途徑，區別于已知PAO的聚羥基烷酸酯（PHA）合成策略。FISH-DAPI染色證實其內含聚磷顆粒。實驗表明葡萄糖濃度顯著影響Propioniciclava的富集效率，為EBPR工藝優化提供了新依據。

趙一鳴|張星星|陳旭陽|朱正宇|焦鵬博|馬麗萍|李永梅

中國上海同濟大學環境科學與工程學院污染控制與資源再生國家重點實驗室，郵編200092

摘要

強化生物除磷（EBPR）依賴于聚磷酸鹽積累菌（PAOs）。本研究鑒定出Propioniciclava為一種新型的潛在PAO。在兩個以Propioniciclava為主的序批反應器（SBRs）中，實現了較高的磷釋放和吸收速率，分別達到2.37和2.10 mmolP/(gVSS·h)。通過對Propioniciclava的代謝途徑進行重建，基于其最豐富的宏基因組組裝基因組（bin70），該基因組在SBR1中占28.8%，在SBR2中占45.5%。對bin70的功能注釋顯示，它含有與磷和糖原代謝相關的基因，但不含與聚羥基烷酸合成相關的基因，這表明其具有獨特的儲存策略。熒光原位雜交結合4′,6′-二氨基-2-苯基吲哚（FISH-DAPI）染色技術證實了細胞內存在聚磷酸鹽顆粒。宏轉錄組分析進一步表明Propioniciclava活躍轉錄與磷和糖原合成相關的基因。

引言

強化生物除磷（EBPR）工藝高效且有助于從廢水中去除磷。該工藝依賴于在厭氧和好氧/缺氧條件下積累聚磷酸鹽的微生物（PAOs）。通常，在厭氧條件下，PAOs將短鏈揮發性脂肪酸（VFAs）以聚羥基烷酸（PHA）的形式儲存在細胞內，能量來源于聚磷酸鹽（poly-P）的水解和糖原的降解。在好氧/缺氧條件下，PAOs利用氧氣或硝酸鹽等電子受體，將PHA氧化為聚磷酸鹽（poly-P）以儲存磷，并補充糖原，支持其生長（Oyserman等人，2016年）。EBPR工藝的穩定性直接依賴于PAOs，因此探索不同PAOs的群落結構和機制非常重要。

迄今為止，已經鑒定出多種PAOs。Candidatus Accumulibacter phosphoatis（Accumulibacter）是最廣泛研究的PAO（Oyserman等人，2016年）。Accumulibacter可以利用短鏈VFAs（He和McMahon，2011年）、葡萄糖（Ziliani等人，2023年）以及發酵產物（Chen等人，2023年；Qiu等人，2019年；Guanglei Qiu等人，2019年），包括天冬氨酸、谷氨酸、乳酸和琥珀酸。Tetrasphaera也是一種在采用EBPR工藝的污水處理廠（WWTPs）中高度富集的PAO（Hien等人，2011年），它可以利用氨基酸和葡萄糖作為碳源（Kristiansen等人，2013年；Marques等人，2017年）。與Accumulibacter 與Tetrasphaera不同， Accumulibacter 并不總是將碳源轉化為PHA（Fernando等人，2019年；Liu等人，2019年）。當不進行厭氧PHA合成時，碳源可能會以糖原的形式儲存，并可能被發酵為乳酸、琥珀酸、乙酸和谷氨酸（Close等人，2021年；Kristiansen等人，2013年）。除了Accumulibacter 和 Tetrasphaera 之外，還提出了其他潛在的PAOs。 Tessaracoccus 從活性污泥中分離出來，其細胞內發現了聚磷酸鹽顆粒，但未檢測到PHA顆粒（Maszenan等人，1999年；Srinivasan等人，2017年）。 Thiothrix 也被認為是一種PAO，通過微放射自顯影-熒光原位雜交（MAR-FISH）分析在其體內發現了聚磷酸鹽和PHA（Rubio-Rincon等人，2017年）。根據宏基因組組裝基因組（MAGs）的分析， Candidatus Dechloromonas phosphoritropha 和 Candidatus Dechloromonas phosphorivorans 具有合成聚磷酸鹽、糖原和PHA的潛力（Petriglieri等人，2021年）。此外， Candidatus Phosphoribacter 是一個新的PAO屬，最初被鑒定為 Tetrasphaera 。對其MAGs的分析表明它攜帶與PHA合成相關的基因，但通過Raman-FISH未檢測到PHA（Singleton等人，2022年）。此外， Candidatus Halomonas phosphatis 也被認為可能是WWTPs中的潛在PAO（Hien等人，2012年），它可以利用短鏈VFAs和乙醇，在厭氧條件下其細胞內發現了PHA。 Microlunatus 也被認為是一種潛在的PAO，但未發現與PHA合成相關的基因（Kawakoshi等人，2012年）。此外， Pseudomonas 、 Arthrobacter 、 Paracoccus 和 Bacillus 也被認為參與了磷的去除過程（Dai等人，2022年）。除了上述潛在的PAOs之外， Propioniciclava 最近被提出作為一種潛在的PAO，因為在兩個采用EBPR工藝的實驗室規模序批反應器（SBRs）中其數量有所增加。根據綜合微生物基因組（IMG）數據庫的基因信息， Propioniciclava 攜帶 ppk1 （編碼聚磷酸鹽激酶）、 ppk2 （編碼聚磷酸鹽激酶2）和 ppx （編碼外切聚磷酸酶）基因（Zhao等人，2024年）。然而， Propioniciclava 作為PAO的代謝機制和生態作用尚未得到驗證。 Propioniciclava 已在許多廢水處理系統中被發現。在一項使用內循環-缺氧/好氧工藝處理造紙廢水的研究中， Propioniciclava 的相對豐度為8.2%-8.5%（Zhuang等人，2020年）。在處理合成石油廢水的好氧顆粒污泥系統中， Propioniciclava 的相對豐度為11.3%（Chen等人，2019年）。在處理酸性礦井排水和生活污水及植物殘渣液的構建濕地中， Propioniciclava 占31.2%-45.6%（Chen等人，2021年）。在處理合成黑水的厭氧動態膜生物反應器中， Propioniciclava 的相對豐度為9%-18%（Pan等人，2022年）。此外，在用于市政廢水處理的配置有光測序批反應器的藻類增強細菌聯合體過程中， Propioniciclava 是主要微生物（Wang等人，2023年）。然而，在這些研究中， Propioniciclava 僅與碳水化合物的降解相關。 Propioniciclava 最初是從處理牛場廢水的產甲烷反應器中分離出來的。該菌株可以發酵多種碳水化合物，并將葡萄糖降解為乙酸和丙酸（Sugawara等人，2011年）。由于關于該菌株作為PAO的研究較少，需要進一步的證據來驗證其PAO的身份。分子生物學方法的更新有助于識別PAOs并加深我們對EBPR微生物學的理解。FISH結合4′,6′-二氨基-2-苯基吲哚（DAPI）染色技術可以直接檢測細菌內的聚磷酸鹽顆粒（Liu等人，2001年），這種方法已被用于鑒定 Comamonadaceae 為一種新的PAO（Ge等人，2015年）。宏基因組學和宏轉錄組學的結合有助于預測功能基因和驗證微生物群落的假定代謝途徑。此外，通過分箱構建MAGs可以無需分離即可對單個物種進行基因組分析。因此，本研究旨在為 Propioniciclava 的微生物代謝特征提供分子生物學證據。通過整合FISH-DAPI染色、宏基因組學和宏轉錄組學，研究了 Propioniciclava 的聚磷酸鹽合成活性、基因功能和代謝途徑。此外，還探討了溶解氧（DO）和碳源類型對 Propioniciclava 富集的影響。這項研究可以深入理解 Propioniciclava 的代謝機制，從而擴展PAOs的范圍。

部分摘要

EBPR SBR裝置和合成廢水

使用了兩個工作體積為3.0 L的實驗室規模SBR來去除磷。操作條件和合成廢水的信息可以在之前的研究Text S1中找到（見補充材料）。具體來說，合成廢水中的碳源為：SBR1中384 mg/L醋酸鈉與50 mg/L葡萄糖混合，SBR2中384 mg/L醋酸鈉與30 mg/L葡萄糖混合。SBR1和SBR2進料中的磷酸鹽濃度分別約為15 mgP/L和10 mgP/L。

批次測試中的磷釋放和吸收性能

圖1A和1B展示了test1和test2中的厭氧磷釋放和好氧吸收性能。根據預實驗，test1的初始醋酸濃度設定為300 mg/L（3.72 mmolC/gVSS），test2的初始醋酸濃度設定為200 mg/L（3.34 mmolC/gVSS）。在厭氧階段的最初30分鐘內，

結論

本研究提出 Propioniciclava 是一種新型的PAO。批次測試、功能基因注釋和FISH-DAPI驗證了其PAO表型。 Propioniciclava 攜帶與磷代謝、中心碳代謝、糖原合成和發酵相關的基因，但缺乏PHA合成相關的基因，表明其具有類似 Tetrasphaera 的代謝特性。宏轉錄組分析進一步證實了 ppk2 基因在 Propioniciclava 中的表達，支持其在磷去除中的作用。

CRediT作者貢獻聲明

趙一鳴：撰寫——初稿、可視化、方法學、研究、數據分析、概念化。張星星：軟件、方法學、數據分析。陳旭陽：撰寫——審稿與編輯、驗證。朱正宇：方法學、概念化。焦鵬博：軟件、數據分析。馬麗萍：撰寫——審稿與編輯、軟件、方法學、數據分析。李永梅：撰寫——審稿與編輯、監督、資源管理、項目協調。

利益沖突聲明

作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。

致謝

本工作得到了國家自然科學基金（資助編號：52470052 和上海市科學技術委員會（資助編號：23230714100

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