發現新型蛋白質和胞外多糖共同介導活性污泥菌膠團形成

　　活性污泥法是市政污水和工業廢水凈化處理的主流技術，超過90%的市政污水和50%的工業廢水處理采用活性污泥法，而微生物菌膠團的形成是活性污泥法成功的關鍵。菌膠團形成菌所產生的膠質狀胞外多聚物（簡稱EPS）是活性污泥菌膠團形成所必需的“黏合劑”。為此，中國科學院水生生物研究所邱東茹學科組對微生物菌膠團形成與調控的分子機制開展了深入系統的研究。

　　邱東茹學科組曾發現，除了胞外多糖合成相關基因和基因簇，兩個編碼天冬酰胺合成酶的旁系同源基因（Water Research 102: 494-504）以及RpoN sigma因子（sigma54）對菌膠團的形成有重要作用。近日，該學科組鑒定出一個依賴于RpoN sigma因子的雙組分系統（Two-component system）PrsK（感受器組氨酸激酶）和PrsR（響應轉錄調控因子），共同調控一類稱為PEP-CTERM的特殊胞外蛋白質的表達。PEP為靠近羧基端、高度保守的脯氨酸-谷氨酸-脯氨酸基序，可能是蛋白質分選信號。該蛋白富含天冬酰胺殘基（N），與胞外多糖可能通過N-聯鎖的蛋白質糖基化形成網狀的EPS：胞外多糖長鏈相當于網線，而PEP-CTERM蛋白質象使網線交織的網節，包裹微生物細胞來介導活性污泥微生物菌膠團的形成。利用質粒過量表達PEP-CTERM蛋白A（PepA）可以繞開PrsK-PrsR二組分系統在菌膠團形成中的必要性。研究發現，所鑒定的與菌膠團形成相關的PEP-CTERM、prsK-prsR和胞外多糖合成基因和基因簇在索氏菌（Thuaera）、聚磷菌（CAP）、亞硝化細菌和最近發現的硝化螺旋菌屬（Nitrospira）的全程氨氧化菌（comammox）等多種重要的活性污泥細菌基因組或宏基因組中存在，說明這些活性污泥細菌可以形成菌膠團，從而在活性污泥工藝中得以富集，發揮有機污染物降解和除磷脫氮功能。

　　研究成果以Both widespread PEP-CTERM proteins and exopolysaccharides are required for floc formation of Zoogloea resiniphila and other activated sludge bacteria為題，在線發表在《環境微生物學》（Environmental Microbiology）上。

　　這些發現為揭示活性污泥微生物菌膠團形成機理打下良好基礎，對活性污泥工藝處理效率提升、污泥膨脹控制、剩余污泥減量和資源化利用等新技術開發具有參考意義。上述研究在研究員邱東茹指導下由博士生高娜、夏明等完成，研究工作得到了中科院“微生物組計劃”、中科院“百人計劃”經費和國家自然科學基金的支持。

　　論文鏈接

prsR對動膠菌形成菌膠團的作用。A-D，用亞甲美藍染色的顯微照片；E-F，對應于A-D的菌株懸于試管中的狀態。

　　(A)動膠菌野生型，攜空質粒，形成菌膠團；(B) prsR敲除突變株，攜空質粒，不能形成菌膠團，可觀察到纖維狀的胞外多糖和分散的細菌細胞；(C) prsR敲除突變株的遺傳互補株，攜克隆有prsR基因的質粒，形成菌膠團；(D) prsR敲除突變株，攜克隆有pepA的質粒，在強啟動子驅動下不依賴于RpoN和PrsR過量表達PepA，形成菌膠團； (E) 振蕩后，模擬曝氣池狀況，prsR敲除突變株培養物處于渾濁狀態；(F）靜置后，模擬二次沉淀池狀況，菌膠團沉淀到底部，prsR敲除突變株則不能沉淀