污水处理DNA解码人 – 来自丹麦的 Per H. Nielsen教授
2014年在葡萄牙里斯本举办的第9届IWA世界水大会上，来自丹麦奥尔堡大学的Per Nielsen教授做了题为“DNA革命，The DNA Revolution”的大会报告。两年过去了，Nielsen教授演讲成为了常读常新的经典。
IWA微信公众号在上星期五分享了一篇来自于IWA全新杂志The Source的文章《解码污水DNA，Decoding the DNA of Wastewater》。这篇文章提到了Nielsen教授的研究工作，今天我们将为大家深入介绍Nielsen教授和他的突破性研究进展。
Nielsen教授目前任职于丹麦奥尔堡大学(Aalborg University)化学和生物科学系，他也是奥尔堡大学微生物群落中心(Centre for Microbial Communities)的负责人和新加坡南洋理工大学环境生命科学工程中心的访问科学家。Nielsen教授发表文章超过230篇，指导过25位博士生。Nielsen教授曾在2005年至2013年担任IWA微生物生态与水工程专家组(Microbial Ecology & Water Engineering Specialist Group)主席。
Nielsen教授是把宏基因组学(Metagenomics)及其技术应用到污水处理领域的先锋人物。宏基因组(Metagenome)有一个更加形象的学术名称--微生物环境基因组(Microbial Environmental Genome) 。它的定义是微生物生长中全部微小生物遗传物质的总和，这包括了可经培养和不能培养的微生物的基因。而宏基因组学就是以环境样品中的微生物群落基因组作为研究对象, 以功能基因筛选和/或测序分析为研究手段，分析微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、协同合作关系以及其与环境之间关系的新兴研究方法。
▲ 从列文虎克到下一代测序技术(NGS): 宏基因组学的重要里程碑
在现实中，能够在实验室中被培养出来的微生物只占少数。也就是说，在过去我们对微生物世界的认识实际非常有限。宏基因组测序技术的进步加快了研究人员对污水世界各种未知暗物质的发现进度，并推翻了很多过去由于技术所限的“错误”认知。而这一方面最经典的例子莫过于微生物种群Comammox（complete ammoniumoxidation，完全氨氧化）的发现。
过去，大家认为氮的硝化作用需要由两组不同的微生物分两步完成。Comammox的发现终结了这个超过100年历史的理论 。这个新发现立即在2015年圣诞节前被英国科学权威杂志《自然》报道，引起了热烈的关注和讨论，而Nielsen教授就是这篇文章的作者之一。
其实早在10年前，巴塞罗那自治大学的学者E.Costa及其研究团队就指出，在适当条件下，生长速率慢一点的微生物应该比生长速率快但实际浪费资源的微生物更适合在生物膜环境下生长，而且一个能够发生完全硝化反应的硝化菌理应从单位质量的底物中获取更多的能量。Costa研究团队当时就推断了一种完全氨氧化菌（Comammox）的存在。
此后，包括Nielsen教授在内的奥地利、德国、丹麦以及俄罗斯联合团队，利用宏基因组测序技术， 发现了Comammax的基因组含有负责控制将氨氮转化为亚硝酸和把亚硝酸转化为硝酸的某种酶的基因。这个重大发现不仅颠覆了过去人们对硝化反应的认识，同是也改写了人们对厌氧氨氧化的理解。因为一方面Comammox可能会生成Anammox不想要的硝态氮，但同时Comammox又能为后者提供亚硝态氮。尽管对于Comammox的理解，我们还处于一个非常初级的阶段，但是宏基因组测序技术可能是解开更多未知之谜的关键工具。
▲ Nielsen教授在2016国际水协会前沿技术大会 (IWA Leading-edge Technology Conference 2016) 上就Comammox发言
借助日渐快速和价格低廉的测序技术，Nielsen教授发表重要研究论文的频率也是有如高铁般快速。在今年4月的Nature旗下的重要微生物学杂志ISME上，Nielsen教授及其团队又宣布了一个重大发现——他们通过对丹麦27个厌氧反应器的样品进行宏基因组测序技术分析，发现了一个过去未被人发现的不能被人工培养的新门系(candidate phylum) Hyd24-12。他们的研究结果甚至显示，这个门系里的一个成员占整个微生物生物质的比例高达8%。
相信借助相关技术，污水处理界很多暗物质会被相继发现，而这也将是污水处理迈入新纪元的起点。
▲ HYD24-12菌种的新陈代谢机理图
自2006年起，丹麦超过50座污水厂(都包含脱氮除磷工序)加入到了一个名为MiDas-DK的研究项目中。MiDas-DK是Microbial Database for Danish Activated Sludge Wastewater Treatment Plants with Nutrient Removal的简称。该项目的主要目标是为这些污水厂建立活性污泥微生物数据库。应用的分析技术就是基于16SRNA扩增子测序和深度宏基因组学的量化FISH荧光原位杂交技术。经过十年的积累，这个数据库已经成为了一个非常强大的研究活性污泥生态系统的辅助工具，帮助丹麦的研究人员优化污水厂的运行。
Nielsen教授就是这个活性污泥微生物数据库项目的重要成员。Nielsen团队希望世界各地的同行受此启发，巴西、中国和世界其他国家也建立类似的数据库。当这些数据汇总在一起，变得足够多的时候，就能成为污水界的Google，使科学家获得对污水工程设计更深更全面的理解。
“DNA技术应用还不是污水解决方案中的常规部分，只有极少数公司能付得起这样的钱。” Nielsen教授也明白要让这些技术得到更快速和广泛的普及，需要通过更加经济可行的商业产品和服务来推动。所以他积极创业，创立了一家名为DNA Sense的公司来提供相关服务。
Nielsen教授的工作不仅为污水界发现了更多微生物之门，而且为我们打开了过去了“看不见”的机会之门——污水处理的大革命正在发生。2020年IWA世界水大会将在丹麦哥本哈根举办。期待4年后丹麦科学家向全世界展示最新的污水微生物研究进展。
参考资料
1. The Road to Metagenomics: From Microbiology to DNA Sequencing Technologies and Bioinformatics http://europepmc.org/articles/PMC4681832/
2. Metagenomics: Tools and Insights for Analyzing Next-Generation Sequencing Data Derived from Biodiversity Studies http://europepmc.org/articles/PMC4426941
3. Genomicinsights into members of the candidate phylum Hyd24-12 common in mesophilicanaerobic digesters http://www.nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/full/ismej201643a.html
4. MiDas-DK http://www.midasfieldguide.org/en/search/
5. The DNA Revolution https://vimeo.com/112050309
6. Decode the DNA of wastewater - http://www.thesourcemagazine.org/decoding-dnawastewater/