齊魯網·閃電新聞7月6日訊 面對生態修復中原位功能菌難以快速識別、培養和應用的產業瓶頸問題，青島能源所單細胞中心與青島科技大學、青島水務集團環境能源有限公司、青島張村河水務有限公司等單位合作，開發了基于單細胞拉曼耦合培養技術（scRACS-Culture）的“原位代謝靶向的功能菌篩選、培養和強化”（IMSCA）策略，成功從城市污水處理廠的活性污泥中挖掘出一種新型高效聚磷菌（PAO），并驗證了其在水質凈化的實際應用，為環境修復與生態系統工程提供了新策略，相關成果發表于環境科學期刊《水研究》（Water Research）。

圖1?原位代謝靶向的功能菌篩選、培養和強化技術支撐“原位菌原位用”，實現環境修復項目的快速閉環

環境修復與生態系統工程高度依賴于原位功能菌的挖掘和應用，但長期以來，業界普遍采用的“先養后篩”范式面臨著核心瓶頸。由于缺乏有效的菌群原位功能快檢方法，因此通常難以快速識別和挖掘具有潛在功能的原位菌株。此外，即使能分離出功能菌，其在純培養條件下的代謝效能（如除磷效率）往往與其原位環境有巨大差異，經常導致環境修復失敗。

針對上述挑戰，研究團隊提出了原位功能菌“先篩后養”的IMSCA策略，利用與青島星賽合作研制的單細胞拉曼分選儀，從環境樣品中直接進行單細胞精度的原位代謝功能測量和目標原位功能菌分選。研究發現，單細胞拉曼光譜（SCRS）中的多聚磷酸鹽（Poly-P）峰強度可作為單細胞水平的定量生物標志物，用于評估菌株從胞外環境中去除可溶解態磷的效率，從而識別聚磷菌PAO。基于Poly-P峰，研究團隊成功從當地城市污水處理廠的活性污泥樣品中，活體分選出具有高原位聚磷活性的一系列PAO單細胞。

后續的單細胞培養與功能驗證發現，實驗室純培養PAOs的聚磷活性與其原位活性并無顯著相關性，許多原位活性高的菌株在純培養中表現低下，凸顯了傳統純培養篩選的局限性。與之相反，IMSCA“原位代謝驅動式”的先篩后養則能高效挖掘這些被傳統評價方法誤導甚至忽略的高效原位功能菌。

在驗證IMSCA策略的有效性時，研究團隊選擇了污水處理這一典型場景進行測試。磷排放是水體富營養化的主要原因，而生物除磷（EBPR）系統的關鍵在于能從胞外環境中去除可溶解態磷元素的聚磷菌PAOs。傳統方法挖掘高效穩定的PAOs耗時耗力、困難重重，利用IMSCA策略，團隊成功從活性污泥中“單細胞先篩后養”出多種原位高效PAOs，其中包括一種新型高效PAO——藤黃微球菌（Micrococcus luteus）CI5-8。它具有不同于傳統PAOs的獨特聚磷機制，在好氧條件下聚磷，在厭氧條件下不釋放磷，其能量儲存依賴糖原而非聚羥基脂肪酸酯（PHA），且缺乏反硝化活性。

為驗證該菌株的實際效能，研究團隊先后在實驗室規模的序批式反應器（SBR）和小試規模的厭氧-缺氧-好氧（A/O/O）生物脫氮除磷反應器中進行了測試。結果顯示其在處理真實污水時表現出高效除磷能力，代表了一類新型的高效PAO資源。

這一原位代謝靶向性的功能菌篩選、培養和強化策略，為工業菌株的原位代謝功能評估提供了新手段，有效解決了“純培養后功能-原位功能”脫節的難題。同時，通過無需外來物種引入的“原位菌原位用”的方式，完成了環境修復項目的快速閉環。由于單細胞拉曼光譜蘊含著豐富多樣的原位代謝功能信息，因此該策略可廣泛服務于水體治理、土壤改良、生物制造、個人護理、精準醫療等諸多涉及微生態修復的應用領域。

閃電新聞記者 于瀟  報道

[責任編輯：于瀟 曾憲琳 楊本敬 郭常宏]

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