代谢依赖关系支配厌氧消化生态系统中的微生物共生

摘要：甲烷生成是由复杂微生物群落介导的生物过程，由于其对全球变暖的贡献及在生物技术应用中的潜力，受到了广泛关注。本研究通过结合基因组中心的宏基因组学和宏转录组学，揭示了厌氧容器生态系统中的核心微生物甲烷生成代谢。我们证明了一个仅以醋酸为燃料的富集自然系统，可以支持由细菌主导的微生物群落，采用多营养级的甲烷生成过程。此外，在系统补充了额外H₂后，微生物的结构和功能发生了显著变化。在H₂加入之前，占主导地位的甲烷生成菌Methanosarcina thermophila同时进行了醋酸解、氢营养和甲基营养的甲烷生成。在添加H₂后，甲烷生成模式发生了变化，随后刺激了Methanomicrobia的活性，并缓慢富集Methanobacteria的成员。有趣的是，涉及Wood-Ljungdahl途径的关键基因在细菌成员中并未表达。高表达的甘氨酸裂解系统表明了替代代谢途径在醋酸代谢中的激活，这些途径在最丰富的细菌基因组中得到了重构。此外，基于预测的营养缺陷，我们提出社区中特定的微生物正在形成共生关系，从而减轻了个体成员的生物合成负担。这些结果提供了新的信息，将促进未来关于甲烷生成生态位中物种间竞争和共生的微生物生态研究。