Bacteriophage-prokaryote dynamics and interaction within anaerobic digestion processes arcoss time and space

Junyu Zhang, Qun Gao, Qiuting Zhang, Tengxu Wang, Haowei Yue, Linwei Wu1, Jason Shi, Ziyan Qin,Jizhong Zhou, Jiane Zuo and Yunfeng Yang

雜志：Microbiome

發(fā)表時(shí)間：2017年5月

影響因子：8.4973

一、背景

噬菌體與原核生物的動態(tài)變化和相互作用被認(rèn)為是影響微生物群落組成和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要因素，但我們目前對噬菌體與原核生物群落組成的時(shí)空變化還知之甚少，這使得我們不能精確地了解他們角色和影響。厭氧沼氣池由于容易獲取，操作穩(wěn)定，具有營養(yǎng)豐富的環(huán)境，含有大量的噬菌體和原核細(xì)胞，因此被認(rèn)為是測定噬菌體與宿主相互作用的理想模式系統(tǒng)。

二、材料和方法

本文從不同地理分布選取了中國三個(gè)地方的污水處理廠的4個(gè)厭氧沼氣池（中國北部的北京1個(gè)、中國中部的山東青島1個(gè)、中國南部的浙江寧波2個(gè)，除寧波有一個(gè)厭氧沼氣池的發(fā)酵溫度為高溫，其余均為常溫），從2012年10月至2013年9月，每月進(jìn)行一次采樣。對采集的樣品進(jìn)行物理化學(xué)檢測，包括Fe、Cu、Cr、SO42-、Cl-、NH4+-N和pH及過程性能指標(biāo)TS、VS和COD；提取DNA，基于MiSeq平臺進(jìn)行16S rDNA V4區(qū)測序，并用包涵455種噬菌體探針的Geochip 5.0探測噬菌體基因。然后對獲得的序列信息進(jìn)行一系列的分析。

三、結(jié)果

1、噬菌體與原核微生物隨著功能的時(shí)空變化而動態(tài)變化

共獲得56143個(gè)原核微生物OTUs和來自78種噬菌體的183種噬菌體基因，其中91種噬菌體基因普遍存在于四個(gè)厭氧沼氣池中，且其相對豐度是只在平均單個(gè)厭氧沼氣池中出現(xiàn)的基因2.4倍，說明優(yōu)勢噬菌體在不同地點(diǎn)是普遍存在的。

  單個(gè)噬菌體在時(shí)間尺度上的變化非常大，表明在激活污泥的過程中有大量的噬菌體產(chǎn)生和消亡，揭示了噬菌體在污泥環(huán)境中高度活躍。

  圖2  (A) 噬菌體豐度、 (B) 原核微生物豐度、 (C) 噬菌體α多樣性、(D) 原核微生物α多樣性的時(shí)空變化

注：BJ: Beijing samples; QD: Qingdao samples; Ningbo-M: samples from Ningbo anaerobic digester maintained at mesophilic temperature, and Ningbo-T: samples from Ningbo anaerobic digester maintained at thermophilic temperature.

2、噬菌體對原核微生物群落自上而下的控制

對原核微生物OTUs跟噬菌體的豐度進(jìn)行分析，圖3（a）中可以看到原核微生物跟噬菌體的豐度之間的相關(guān)性雖然不是非常強(qiáng)，但噬菌體的豐度是隨著原核微生物的豐度增大而增大。（b）、（c）分別是原核微生物OTUs跟噬菌體間α多樣性和β多樣性的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者間的β多樣性相關(guān)性非常強(qiáng)。

另外通過多元回歸矩陣分析，發(fā)現(xiàn)噬菌體作為一種生物影響因子，對原核微生物群落組成的影響高達(dá)40.6%。說明噬菌體對塑造細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)起著非常重要的作用。

  圖3 噬菌體與原核微生物(a)豐度、(b)α多樣性、(c)β多樣性的斯皮爾曼相關(guān)分析（相關(guān)性由P<0.050決定）

表1 非生物因素與生物因素對原核微生物群落組成影響的多元回歸矩陣分析結(jié)果

 3、噬菌體對過程性能的影響

通過最小二乘法模型分析噬菌體、原核微生物和過程參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)噬菌體對生物氣體的生成、揮發(fā)性固體含量影響很大，雖然原核微生物對這些過程參數(shù)的變化也有重要的影響，但沒有噬菌體的影響顯著。

  注：箭頭上的數(shù)字是最小二乘模型的相關(guān)系數(shù)R2，***P<0.001，**P<0.010，*P<0.050

為將噬菌體、微生物群落和厭氧消化的過程性能聯(lián)系起來，進(jìn)行了通路分析。從圖5中可以看到有4條重要的通路。

  圖5 將噬菌體和微生物群落與厭氧沼氣池關(guān)聯(lián)起來的生物化學(xué)通路分析

注：微生物群落用紫色表示，中間代謝產(chǎn)物用綠色表示，甲烷和揮發(fā)性固體用紅色表示，通路用箭頭表示

第一條通路是噬菌體侵染宿主的通路。長尾噬菌體、肌尾噬菌體、短尾噬菌體這三種噬菌體主要侵染的是廣古菌門的古菌，在本次的樣品中所有的廣古菌門微生物都是產(chǎn)甲烷古菌。長尾噬菌體、肌尾噬菌體、短尾噬菌體這三種噬菌體的密度跟廣古菌門微生物平均豐度的相關(guān)性很強(qiáng)（圖6），這就說明噬菌體對甲烷的產(chǎn)生具有很大的影響。

第二條通路中噬菌體裂解細(xì)菌，會增加厭氧發(fā)酵過程中有機(jī)物的量，這對初級生產(chǎn)具有正反饋的作用。

第三條通路顯示厭氧反應(yīng)池中原有的或細(xì)菌裂解產(chǎn)生的有機(jī)物通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙酸鹽，然后被甲烷化產(chǎn)生甲烷。

第四條通路顯示的是未被微生物分解的有機(jī)物從厭氧發(fā)酵池流出后變成揮發(fā)性固體。

  圖6 古菌噬菌體基因平均信號密度與廣古菌門平均豐度相關(guān)性圖（N=46）

4、噬菌體與原核微生物間的網(wǎng)絡(luò)分析

  圖7 噬菌體和原核微生物OTUs組成的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

注：網(wǎng)絡(luò)連接的正相關(guān)與負(fù)相關(guān)是由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的斯皮爾曼相關(guān)性的正負(fù)決定的，正相關(guān)用紅色表示，負(fù)相關(guān)用藍(lán)色表示，連線的寬度代表斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)的大小

基于斯皮爾曼相關(guān)性構(gòu)建噬菌體與原核微生物之間復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，雖然原核微生物有55個(gè)OTUs超過了噬菌體基因數(shù)，但這也表明兩者之間的相互作用強(qiáng)而穩(wěn)定。

從圖中可以看到一半的連接都是細(xì)菌之間的，占了50.7%，噬菌體與細(xì)菌之間的連接只有30.7%，噬菌體之間的連接占18.6%。

其中有好幾個(gè)腸桿菌噬菌體在網(wǎng)絡(luò)中作為重要的節(jié)點(diǎn)，連接很多變形桿菌，所連接的細(xì)菌大多屬于叢毛單胞菌科、紅環(huán)菌科、紅桿菌科而非腸桿菌科。這可能說明這些細(xì)菌是共居的，或者說這些腸桿菌噬菌體可侵染的宿主很多。除13a之外，腸桿菌噬菌體跟細(xì)菌之間的連接都是正相關(guān)的，而只有Aeromonas phage phiO18P, Aeromonas phage Aeh1,and Mycobacterium phage Che12則跟細(xì)菌之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的連接?；旧纤惺删w-噬菌體之間的連接都是正相關(guān)的，意味著共侵染和共居的可能性。

四、小結(jié)

通過先進(jìn)的高通量技術(shù)，對中國4個(gè)污水處理廠厭氧沼氣池的噬菌體和原核微生物群落組成進(jìn)行檢測，雖然生物氣體的產(chǎn)生在整個(gè)過程相對穩(wěn)定，但噬菌體和原核微生物群落在整個(gè)研究過程中呈現(xiàn)月度性波動，表明兩者間的α和β多樣性存在非常重要的相關(guān)性。其中非常突出的是噬菌體對原核微生物群落組成變化的解釋度達(dá)到40.6%，遠(yuǎn)高于非生物因素的14.5%。結(jié)果表明，噬菌體與過程性能包括生物氣體產(chǎn)量和揮發(fā)性固體的濃度有非常重要的聯(lián)系。

五、結(jié)論

噬菌體是控制原核微生物組成和過程性能的主要生物因子。因此，噬菌體在塑造原核生物群落動力學(xué)和厭氧消化的過程性能方面可能發(fā)揮更大的作用。

六、文章亮點(diǎn)

以厭氧沼氣池為模型，基于 16S rDNA 擴(kuò)增子測序結(jié)合GeoChip 5.0 芯片技術(shù)探索噬菌體與原核微生物在厭氧消化過程中時(shí)間和空間的動態(tài)變化和互作， 并通過網(wǎng)絡(luò)圖分析，揭示兩者關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)挖掘充分，分析討論有理有據(jù)。